你知道吗,钻石并不能“恒久远”,石墨烯也许比钻石更有用

时间:2019-11-02 14:48:47    浏览量:3163    

碳原子有许多选择。最简单的方法是与另一个碳原子共享四个电子,形成四个化学键。这可以溶解四个电子的活性,每个电子都有一个来自另一个碳原子的电子与之配对,形成一个非常稳定的晶体结构,即金刚石。目前,人类发现的最大钻石位于银河系蛇星座的巨蛇头。它是脉冲星psr j1719-1438的卫星,是地球的五倍大。相比之下,地球上的钻石小得可怜,最大的就像足球。这颗钻石来自南非卡利南矿,1907年是献给爱德华七世国王的生日。它目前是英国王室的皇冠上的宝石。

20世纪以前,只有富有的商人和大亨才能买得起钻石,但在欧洲中产阶级崛起后,钻石矿商看到了诱人的新商机。1902年,戴比尔斯控制了全球90%的钻石产量。对他们来说,如何在不降低钻石价值的情况下向更大的市场出售钻石是最大的问题。公司通过巧妙的营销策略克服了这一点。他们发明了“钻石永恒”的广告,灌输只有钻石戒指才能表达忠诚的爱的思想。任何想让他的爱人相信他是真诚的男人都应该买一枚钻戒,而且越贵,越是真诚。

然而,钻石并不是很旧,至少它们在表面上不会永远存在。它的兄弟石墨实际上更稳定。钻石最终会变成石墨,甚至伦敦塔中的“非洲之星”也不例外。尽管要花数十亿年才能看到钻石的变化,但对于那些拥有钻石的人来说,这可能仍然是一个悲伤的消息。

石墨的结构与金刚石的结构完全不同。石墨是由碳原子六边形连接形成的层状晶体。其结构非常稳定和坚固,碳原子之间的结合强度高于金刚石。考虑到石墨通常被用作润滑剂或铅笔笔芯,它的碳原子键比钻石更强是非常令人惊讶的。

这个问题不难解释。石墨层中的每个碳原子与其他三个碳原子共享四个电子,而金刚石中的碳原子与四个碳原子共享电子。这使得石墨层的电子结构不同于金刚石。虽然化学键更强,但缺点是层与层之间缺乏多余的电子来形成稳定的连接,这只能由物质世界中的通用胶水来支撑。它是由分子电场变化引起的弱引力,称为“范德瓦尔斯力”(Van der Waals force)。仔细观察铅笔的石墨铅可以发现它是深灰色的,有金属光泽。难怪几千年来它一直被误认为是“铅”或“黑铅”,这就是为什么“铅”笔也被命名。铅和石墨不能区分是可以理解的,因为它们都是软金属。

由于石墨新用途的不断出现,例如非常适合铸造炮弹和子弹,石墨矿石变得越来越有价值。在17世纪和18世纪,石墨在英国出奇地昂贵,甚至有些人在矿井里挖秘密通道来偷石墨,或者在矿井里工作时利用这个机会偷偷携带石墨。石墨价格飙升,走私和相关犯罪继续增加。直到英国议会于1752年通过立法,对石墨窃贼处以重罚,最高可达一年苦役或七年流放澳大利亚,这种不健康的趋势才得以遏制。

然而,除了来自石墨的强大挑战之外,钻石的崇高地位还面临另一个打击,即它不是世界上最坚硬的物质。1967年,人类发现了碳原子的第三种排列,这种排列可以形成比钻石更坚硬的物质。这种物质被称为六角形陨石钻石。它的结构是基于石墨的六边形平面,但它变成了三维结构。据说它的硬度比钻石高58%。没有人用六角形陨石钻石来制作结婚戒指,但是碳的第三种排列的发现仍然引起好奇心。除了钻石的立方结构、煤、喷气、木炭和石墨的六边形结构以及六边形陨石钻石的三维六边形结构之外,还有其他安排吗?

多亏了航空工业,第四种安排很快就被合成了。他们通过将石墨纺成细丝来命名这种材料为碳纤维。由细丝制成并纵向卷起的布料将具有极高的强度和硬度。然而,它的弱点与石墨一样,也就是说,它仍然取决于范德华力(Van der Waals force),但这个问题可以通过用环氧胶包裹纤维来解决。于是一种新材料诞生了,那就是碳纤维复合材料。尽管碳纤维确实取代了铝作为未来制造飞机的材料,但这需要很长时间。体育用品制造商立即爱上了这种材料。它一次性提高了球拍的效率,使其迅速超过传统的铝制和木制球拍。

碳原子几乎一夜之间成为了材料科学中最热门的研究对象。物理学家海姆和他的团队提出了一个问题:既然这些新的碳原子排列是基于石墨的六边形结构,而石墨本身是由六边形平面堆叠而成的,为什么石墨不是我们正在寻找的神奇材料呢?答案是六边形平面石墨层太容易相互松动,使得石墨非常脆弱。但是如果只有一层石墨呢?那会是什么?海姆的团队后来获得诺贝尔奖并不是因为他们制造了单层石墨,而是因为他们发现单层石墨的性质非常特殊,即使它被放置在纳米世界,它也应该被视为一种新材料并被命名。他们决定称之为石墨烯。

简而言之,石墨烯是世界上最薄、最坚韧和最坚硬的物质。它传导热量的速度比所有已知的材料都快,并且比其他物质更快、电阻更小。此外,石墨烯还允许克莱恩隧道效应。克莱恩隧道效应是一种奇怪的量子效应。物质中的电子可以自由通过(隧道)屏障,就好像障碍物根本不存在一样。这表明石墨烯有很大潜力成为一个小型发电厂,取代硅片成为所有数字操作和通信的核心。

石墨烯可能比钻石更有用,但它不会发光。它太薄了,几乎看不见,只有二维平面。在世人眼中,这些不是真爱的特征。因此,具有立方晶体结构的碳将仍然是女性最好的朋友,除非有一天营销公司关注石墨烯。

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