除了金剛石和石墨這兩種碳在自然界存在的最著名的“同素異晶體”以外，20世紀(jì)末，人類發(fā)現(xiàn)了令人振奮的“碳的新同素異晶體”！

碳的新同素異晶體包括只有一個(gè)原子厚度的單層石墨，稱為石墨烯；以及各種形式的富勒烯。富勒烯是碳原子構(gòu)成的各種大分子，包括空心球，橢圓球及碳管。這些材料全都具有神奇的性能--它們的導(dǎo)電性比銅好，強(qiáng)度比鋼高，而比重比鋁小。

石墨烯

石墨是最軟的礦物之一,十五世紀(jì)時(shí)被發(fā)現(xiàn)。英國(guó)人將石墨粉與黏土混合灌入木管中制成“鉛筆”，并沿用至今。

直到1779年，科學(xué)家才知道石墨原來(lái)是碳元素形成的的一種單質(zhì)。

石墨是片層狀結(jié)構(gòu)，片層內(nèi)碳原子排列成六方晶格。每個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與其它碳原子結(jié)合（圖1），因而每個(gè)碳原子的四個(gè)外層電子中都有一個(gè)電子剩余，成為自由電子，可以在同層中活動(dòng)。片層之間以較弱的分子作用力相結(jié)合，可以相對(duì)滑動(dòng)。因此石墨導(dǎo)電性良好而硬度很低

石墨烯是石墨的一個(gè)片層，它是一個(gè)完美的平面，厚度只有一個(gè)碳原子大小。在這個(gè)平面上碳原子排列成六方晶格(圖1),相鄰兩個(gè)碳原子核心距離為0.14納米。

2010諾貝爾物理獎(jiǎng)：何為石墨烯？

由于每個(gè)碳原子的四個(gè)外層電子中三個(gè)被共價(jià)鍵固定，剩下的一個(gè)成為自由電子，因此石墨烯在其平面所在的二維方向具有導(dǎo)電性。

石墨烯是人類迄今所知的強(qiáng)度最高的材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到鋼的200倍以上。

富勒烯

一個(gè)富勒烯就是碳原子構(gòu)成的空心球，橢圓球，或碳管。

最普通的富勒烯是碳60（C60）又稱為巴基球，它由60個(gè)碳原子排列成正六邊形和正五邊形而構(gòu)成，看上去簡(jiǎn)直就是一個(gè)“分子足球”(圖2)。碳60最初是在太空中發(fā)現(xiàn)的，最近也在煤煙中發(fā)現(xiàn)。

2010諾貝爾物理獎(jiǎng)：何為石墨烯？

富勒烯不僅有C60，它還有許多大得多的版本如C70,C84甚至C540！

人們發(fā)現(xiàn)富勒烯分子球狀或籠狀結(jié)構(gòu)具有向外開(kāi)放的面，而內(nèi)部卻是空的，這就有可能將其他物質(zhì)引入到該球體內(nèi)部，這樣可以顯著地改變富勒烯分子的物理和化學(xué)性質(zhì)。

例如將某些藥物置入C60球體空腔內(nèi)，成為緩釋型的藥物，進(jìn)入人體的各個(gè)部位。C60為人類戰(zhàn)勝愛(ài)滋病帶來(lái)一線曙光，C60的足球狀化學(xué)結(jié)構(gòu)的鍵結(jié)，能快速地與HIV病毒結(jié)合，減低毒素與阻止HIV病毒擴(kuò)散，這將促進(jìn)生技醫(yī)藥公司開(kāi)發(fā)新的碳六十藥物。化學(xué)家已經(jīng)嘗試著往這些中空的物質(zhì)中加進(jìn)各種各樣的金屬，使之具有超導(dǎo)性，科學(xué)家預(yù)言C540有可能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。富勒烯在單分子納米電子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景

碳納米管

碳納米管是富勒烯的管狀形式，也可以看成是由一片石墨烯卷成的無(wú)縫管(圖3)。

2010諾貝爾物理獎(jiǎng)：何為石墨烯？

單個(gè)的碳納米管是人類迄今所知的強(qiáng)度和剛度最高的材料之一。

碳納米管只有一維導(dǎo)電性，因而稱為分子導(dǎo)線。

實(shí)際制造出來(lái)的碳納米管一般由幾個(gè)到幾十個(gè)單壁碳納米管同軸構(gòu)成，直徑為零點(diǎn)幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米(圖4)。

不論是單層還是多層碳納米管，前后末端都是類似半球形，結(jié)構(gòu)基本上與半個(gè)C60相似，使整個(gè)碳管成為一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)。故納米碳管也是碳的同素異晶體家族的成員之一。

2010諾貝爾物理獎(jiǎng)：何為石墨烯？

納米碳管比重只有鋼的三分之一，而抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到鋼的100倍以上，導(dǎo)電能力是銅的1000倍以上，且兼具金屬的性質(zhì)與半導(dǎo)體的性質(zhì)，故應(yīng)用範(fàn)圍極廣。

利用碳納米管可以制成高強(qiáng)度碳纖維材料和復(fù)合材料，其強(qiáng)度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6，被科學(xué)家稱為未來(lái)的“超級(jí)纖維”；

在航天事業(yè)中，利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫度而不會(huì)燒毀；

用金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，可以得到導(dǎo)電性能非常好的納米尺度的導(dǎo)線；

利用碳納米管做為鋰離子電池的正極和負(fù)極材料可以延長(zhǎng)電池壽命，改善電池的充放電性能；

利用碳納米管制成極好的發(fā)光、發(fā)熱、發(fā)射電子的準(zhǔn)點(diǎn)光源，制成平面顯示器等，使壁掛電視成為可能；

在電子工業(yè)上、用碳納米管生產(chǎn)的晶體管，體積只有半導(dǎo)體的1/10，用碳基分子電子裝置取代電腦芯片，將引發(fā)計(jì)算機(jī)的新的革命，20-30年后可望研制成功運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)；

碳納米管可以在較低的氣壓下存儲(chǔ)大量的氫元素，利用這種方法制成的燃料不但安全性能高，而且是一種清潔能源，在汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展前景。