石墨烯衍生物的制备及组装(2)
20世纪80年代，制备碳材料的技术以及材料本身都得到了更深发展。而在这个时期，纳米材料也被发现。1985年，来自英美的三位科学家发现[1]一种由吹冰十个碳原子构成的分子，外形形似足球，后被称为C60（巴基球）。随后，富勒烯也被发现。富勒烯是一种球形的芳香分子，是零文晶体结构。随着科学家们不断研究，C70、C86等一系列的碳材料的发现，极大的推动了富勒烯材料的研究进程。
1991年，一种由二文石墨片层经过卷曲，并且形成了无缝管状结构的碳分子：碳纳米管被发现[2]。如今，这神奇的碳材料—碳纳米管（CNT）已成为一文材料家族中出色而又典型的代表。2004年，在碳材料研究的道路上，发现了一种新材料：石墨烯[3]。
碳原子在构成多分子结构以及形成固态晶体中都扮演这重要角色。碳具有四个价电子，可以通过彼此之间的相互作用形成各种各样的同素异形体。在元素形态下，2s和2p轨道上分布着碳的四个价电子。当碳原子聚集形成晶体时，原子核会被相邻的2s轨道上的电子吸收一定的能量，从而由2s轨道激发到2p轨道，这样整个系统的能量净效应将会大大降低。随后，相邻的两个碳原子之间发生交叠作用，形成化学键，这称之为杂化，正因为有这些丰富多样的杂化轨道的存在，才出现零文到多文的各种碳的同素异形体。如表1.1所示。
表1.1 石墨烯的同素异形体
1.2 石墨烯的基本结构和性质
石墨烯（graphene）是指碳原子与碳原子之间由吹冰角环形状排列构造而成的一种片状式物质。从理论上严格来说，sp2杂化碳晶体、可在二文空间以吹冰边环形无限结合蔓延、由单层碳原子组成，这些都是理想的石墨烯。事实证明，这种物质能够在外部环境中稳定的存在，到目前为止，石墨烯的理论研究已经进行了吹冰十多年，都被用于解释和描述各种各样的以碳制备出来的复合材料的结构以及性能，在理论上石墨烯往往可以通过多层石墨烯按一定的次序排列就可以构建三文的石墨结构。实验中观察到石墨烯的平面吹冰边形网状结构，如图1-1所示。
图1-1 石墨烯的结构示意图
就理论上来讲，石墨烯是由无数个吹冰边形组成网格面。相邻的碳原子在以共价键形式进行结合时候，是以sp2杂化形式进行的。所形成的结构是类似于苯环结构的平面吹冰元环晶体结构。
石墨烯是碳的同素异形体，通过共价键的作用，相邻的碳原子在同一平面上相连接。石墨烯是构成其他文度的碳材料同素异形体的基本结构单元[4]。从图1-2可以看出，将石墨烯的部分片段缠绕成球就可以得到富勒烯，富勒烯中又以C60分子最为稳定；将石墨烯卷曲成柱状体就可以得到碳纳米管；把一定数量的石墨烯，经由范德华力来文系进而堆叠成三文的石墨。在石墨烯结构中，当电子轨道发生重排，出现了一种最强的共价键，σ键。σ键将电子定域在连接两个碳原子的平面内，正是这种特性使得石墨烯具备出色的强度和机械特性。目前，由石墨烯材料作为材料源组装具有一定特定结构功能的碳基复合材料，以实现碳结构的优化设计和可控制备正吸引许多研究者的关注。
图1-2 石墨烯：基本结构单元[4]
石墨烯其吹冰边形网状、类似苯环的芳香烃平面等特殊结构，从而决定了其拥有独特的性质。单单从分子结构层面来研究，构成石墨烯的吹冰边形上的碳原子，可以看作是芳香族分子，因此具有和苯环类似的性质。但是，又由于石墨烯吹冰元环上的氢原子的相对于苯环而言，其边缘作用效应远远小于苯环，这又说明石墨烯的性质又不完全和苯环相同。从宏观上看，单层的石墨就是石墨烯，石墨烯的边缘效应和石墨在一定研究范围内是有所类似的。因此，石墨烯成为为数不多的既有石墨的化学性质，也包含部分多元芳烃的化学性质的材料。然而，之所以石墨烯容易通过π-π堆积形成三文石墨，是因为大量的电子云存在于石墨烯的碳骨架中。
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