碳的几种单质课件：探索元素的多样性质

碳的几种单质探索元素的多样性质碳元素作为自然界中最为神奇的元素之一，以其丰富多样的单质形态展现出令人惊叹的物理和化学特性从坚硬无比的金刚石到柔软的石墨，从神秘的富勒烯到革命性的石墨烯，碳元素的多变性为材料科学和现代技术发展提供了无限可能本次课程将带您深入探索碳的各种同素异形体，了解它们独特的结构、性质及广泛的应用领域，揭示这一元素在自然界和现代科技中的重要地位课程概述碳元素简介1我们将从基础开始，探讨碳元素的基本特性、电子构型以及在自然界中的分布情况了解碳元素的化学键合能力如何使其成为形成复杂分子和结构的关键元素碳的同素异形体2深入研究碳的各种同素异形体，包括金刚石、石墨、无定形碳、富勒烯、碳纳米管和石墨烯等探索这些不同形态的结构特点及其独特性质各种碳单质的性质和应用3分析各种碳单质在工业、医疗、能源和环境等领域的广泛应用了解这些应用如何改变我们的生活和推动科技创新同时展望碳材料未来发展趋势及面临的挑战碳元素基础知识原子序数电子构型1621s²2s²2p²碳元素位于元素周期表的第碳原子的电子构型为1s²2s²二周期、第族，原子序，外层有四个价电子IVA2p²数为这一位置使碳成为这种电子构型使碳原子能够6非金属元素，但具有一些半形成四个共价键，从而构建金属的特性，能够形成多种复杂的分子结构和多样的同化合物和结构素异形体化学性质非金属3作为非金属元素，碳具有高电负性，倾向于形成共价键而非离子键在常温下化学稳定性较高，但在高温下能与多种元素发生反应，形成多样的化合物碳在自然界中的分布生物体中的碳构成生命的基础元素1大气中的碳2主要以形式存在CO₂地壳中的含量3以矿物和有机化合物形式广泛分布碳元素在地壳中的含量约为，主要以碳酸盐矿物（如石灰石、白云石）和有机化合物形式存在这看似不高的含量却不能掩盖其重要性

0.02%大气中的碳主要以二氧化碳形式存在，占大气成分的约，是维持地球温度平衡的重要温室气体，同时也是植物光合作用的碳源

0.04%在生物体中，碳是构成生命的基础元素，占人体干重的约所有生物大分子如蛋白质、脂质、核酸和碳水化合物都含有碳原子，彰显其在生命18%过程中的核心地位碳的化学键合能力共价键键和键杂化σπsp³,sp²,sp碳原子拥有四个价电子，能够通过共价碳原子能形成强大的键（单键）和碳原子可以通过不同类型的轨道杂化形σπ键与其他元素或碳原子自身形成稳定的键（双键或三键的组成部分）键允成多样化的分子结构杂化形成四σsp³化合物这种键合方式使碳能够形成极许自由旋转，而键则限制了分子的构面体结构（如甲烷、金刚石），杂πsp²其丰富的化合物，是有机化学繁荣发展型，这种特性对碳基材料的物理化学性化形成平面三角形结构（如乙烯、石的基础质有重大影响墨），杂化形成线性结构（如乙炔）sp碳的同素异形体概述什么是同素异形体？碳同素异形体的多样性同素异形体是指由相同元素组成碳的同素异形体包括晶态碳（如但具有不同分子结构或晶体结构金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米的物质碳元素由于其独特的电管、石墨烯）和非晶态碳（如木子构型和键合能力，能够形成多炭、炭黑、活性炭）这些形态种同素异形体，这在元素周期表在原子排列和键合方式上存在显中是非常罕见的现象著差异，导致它们展现出迥异的物理和化学性质结构决定性质碳的各种同素异形体展现出从绝缘体到良导体、从超硬到极软、从化学惰性到高活性等多样化特性，这些差异主要源于原子排列方式和化学键类型的不同，充分体现了结构决定性质的科学原理金刚石结构正四面体结构金刚石中的每个碳原子与周围四个碳原子形成共价键，排列成规则的正四面体结构这种三维立体结构使金刚石成为自然界中最坚硬的物质，同时也赋予其独特的光学性质杂化sp³金刚石中的碳原子采用杂化方式，形成四个等价的键，键角sp³σ为这种杂化方式产生的键合力极强，使金刚石结构异常

109.5°稳定，需要极高的能量才能破坏晶体结构金刚石晶体属于立方晶系，单胞由八个碳原子组成整个晶体可以看作是两个交错的面心立方晶格，形成无穷延伸的巨型共价网络，这种结构赋予金刚石极高的硬度和热导率金刚石物理性质103500莫氏硬度热导率W/m·K在莫氏硬度计上达到最高值，是已知天然物质室温下的热导率约为，为铜的近103500W/m·K10中最硬的材料，这使其成为切割工具的理想材料倍，是最好的热导体之一⁶10¹电阻率Ω·cm纯金刚石是电的绝缘体，室温下电阻率高达10¹⁶，但掺杂后可以变为半导体Ω·cm金刚石具有极高的折射率（约），加上能够完全内反射的特性，使其成为珠宝中最闪耀的宝石

2.42同时，金刚石还具有优异的抗压性能，压缩模量高达，是钢的约五倍

1.2×10¹²N/m²值得注意的是，尽管金刚石硬度极高，但脆性也较大，沿特定晶面可以劈开这一特性被钻石切割师巧妙利用，用于宝石的加工和塑形金刚石化学性质常温下的化学惰性高温下的氧化1对大多数化学试剂不发生反应在空气中开始氧化700-800℃2抗辐射性与金属反应4对射线辐射具有较高的稳定性3高温下与某些金属形成碳化物金刚石在常温下表现出极高的化学稳定性，几乎不受普通酸碱溶液的侵蚀这种惰性源于其紧密的共价键网络结构，使化学试剂难以攻击碳原子然而，在高温下金刚石会表现出一定的反应活性在的空气或氧气中，金刚石表面开始氧化，形成二氧化碳在更高温度（约）下，金刚石700-800℃1700℃会在无氧条件下转变为石墨结构金刚石还能在高温下与某些过渡金属（如铁、钴、镍）反应形成碳化物，这一特性在金刚石合成和金属切割工具制造中具有重要应用金刚石应用工业领域是金刚石最重要的应用场所，利用其超高硬度制造钻头、切割工具和磨料这些工具广泛应用于矿山开采、石材加工、金属切削等领域，显著提高了工作效率珠宝首饰是金刚石最为人熟知的应用，钻石因其卓越的光学特性和文化象征意义而备受珍视高纯度、精确切割的钻石可以达到极高的经济价值在高科技领域，金刚石的应用正迅速扩展其优异的热导率使其成为电子器件的理想散热材料；高透明度和强度使其适用于高压光学窗口；而掺杂金刚石的半导体特性则为电子器件提供了新的可能性石墨结构六边形平面层状结构石墨由碳原子排列成的六边形网格组成平面层每个碳原子与周围三个碳原子形成共价键，构成蜂窝状的二维平面结构这些平面层相互堆叠，形成石墨的基本三维结构杂化sp²石墨中的碳原子采用杂化，形成三个键和一个垂直于平面的sp²σπ键这种杂化方式使碳原子平面排列，键角为电子在层内120°π离域化，形成大键，赋予石墨良好的导电性π层间范德华力石墨的层与层之间通过较弱的范德华力结合，层间距离约为这种弱相互作用使石墨层能够相互滑动，赋予石墨独

3.35Å特的润滑性和剥离特性这也是制备石墨烯的理论基础石墨物理性质导电性润滑性热稳定性石墨是非金属材料中由于层间弱范德华力石墨具有极高的熔点罕见的良导体，其电的作用，石墨层能够（约），在惰3650℃导率沿着层平面方向在外力作用下相互滑性气氛或真空中能够远高于垂直方向，表动，表现出优异的润保持结构稳定这一现出明显的各向异性滑性能这使石墨成特性使石墨在高温冶这种导电性源于杂为高温、高压环境下金、炉材和火箭喷嘴sp²化碳原子的离域电子，理想的固体润滑剂，等领域发挥重要作用π使石墨成为电极材料广泛应用于机械工程的理想选择领域石墨化学性质氧化还原性插层化合物石墨在常温下化学性质较为稳石墨层间可以插入各种原子或定，但在高温下会与氧气发生分子，形成石墨插层化合物反应形成强氧化剂（如浓（）常见的插层剂包括CO₂GICs硝酸、高锰酸钾等）能够氧化碱金属（如钾、铷）、卤素、石墨，在六元环上引入含氧官金属氯化物和硫酸等这些化能团，形成氧化石墨合物具有特殊的电学、磁学和催化性质酸碱反应石墨本身不与一般酸碱反应，表现出化学惰性然而，石墨边缘和缺陷处的碳原子活性较高，可能发生某些化学反应这种选择性反应被用于石墨的功能化修饰，拓展其应用范围石墨应用铅笔芯电极材料核反应堆中的应用石墨与粘土混合制成铅笔芯，是石墨最石墨优异的导电性和化学稳定性使其成高纯度石墨可作为核反应堆中的中子慢传统的应用之一通过调整石墨与粘土为理想的电极材料，广泛应用于电解工化剂和反射体，减缓快中子速度，提高的比例，可以制造出硬度不同的铅笔，业、电弧炉和电池特别是在氯碱工业核裂变效率石墨的高热稳定性和低中满足不同书写和绘画需求石墨的层状中，石墨电极在生产氯气和烧碱的过程子吸收截面使其成为理想的反应堆材料，结构使其在书写时能够轻易剥离，留下中发挥关键作用尤其在气冷式反应堆设计中具有重要地痕迹位无定形碳概述什么是无定形碳？微观结构特点常见种类无定形碳是指没有长程有序晶体结构的碳材无定形碳通常由石墨微晶区域和无序区域组常见的无定形碳包括木炭、活性炭、炭黑、料，其碳原子排列呈现短程有序但长程无序成，微晶区域中碳原子排列类似于石墨层面，焦炭等这些材料因制备方法和原料不同而的特点这类碳材料通常含有不同程度的但尺寸很小且取向随机无序区域则含有各具有不同的微观结构和性质，在工业、环保sp²和杂化碳原子，以及各种官能团和杂原子种非六元环结构（如五元环、七元环）和交和日常生活中有广泛应用sp³联结构木炭制备方法结构特点木炭主要通过木材或其他植物材料在隔绝木炭保留了原始植物材料的大致形态和孔空气的条件下高温炭化（）制得道结构，主要由无定形碳组成，含有少量450-700℃传统制备采用土窑法，现代工业则多采用12石墨微晶结构其中还含有挥发物、灰分连续炭化炉，可以更好地控制工艺条件和和固定碳，具有发达的孔隙结构和较大的收集副产物比表面积应用领域物理化学性质木炭广泛应用于冶金（作为还原剂）、活木炭具有较强的吸附性、良好的还原性和性炭制备原料、燃料、烧烤用具、除湿除一定的导电性其密度较低（约

0.3-43臭剂、艺术绘画材料等领域在农业中还），具有不同程度的多孔性，吸

0.5g/cm³可用作土壤改良剂，提高土壤质量和保水水性和吸油性较强，燃烧时几乎不产生明能力火和烟雾活性炭活化处理1通过物理或化学活化进一步增加孔隙碳化过程2原料在高温下碳化形成基本结构原料选择3椰壳、木材、煤、果核等含碳物质活性炭是通过特殊工艺处理的高度多孔碳材料，具有巨大的比表面积（通常为）制备过程首先是原料的碳化，将有机物转化为碳质骨架；然后500-2500m²/g是关键的活化步骤，进一步发展孔隙结构物理活化通常使用水蒸气、二氧化碳或空气在条件下处理碳化物，选择性地氧化部分碳原子，形成微孔化学活化则使用、或等800-1000℃ZnCl₂H₃PO₄KOH活化剂，在较低温度下形成孔隙并同时完成碳化与活化过程活性炭的孔隙结构复杂，根据孔径大小可分为微孔（）、中孔（）和大孔（）不同孔径分布的活性炭适用于不同分子大小的吸附应用，2nm2-50nm50nm可通过调整制备工艺进行针对性设计活性炭的应用水处理空气净化医疗用途活性炭是水处理领域的重要吸附剂，能活性炭能高效吸附空气中的异味分子、活性炭在医疗领域用作解毒剂，治疗药有效去除水中的有机污染物、氯、异味有害气体和挥发性有机化合物物中毒和食物中毒口服活性炭能在胃VOCs和某些重金属离子饮用水处理厂通常家用空气净化器、工业废气处理设备和肠道吸附毒素，防止其被人体吸收血使用活性炭过滤器去除微量有机物和氯防毒面具中都广泛使用活性炭滤芯汽液净化中的血液灌流技术使用特殊处理气，改善水质工业废水处理中，活性车空调系统也采用活性炭滤网去除车内的活性炭吸附血液中的毒素，辅助治疗炭可用于去除色素、表面活性剂和难降空气污染物，提高乘坐舒适度某些中毒和肝衰竭患者解有机物炭黑生产方法物理特性工业应用炭黑主要通过不完全燃烧或热分解碳氢炭黑是由极小的球形碳粒子（直径通常炭黑最大的应用领域是橡胶工业，特别化合物（如天然气、乙炔、重油等）制为）聚集成的链状或团簇状是轮胎制造，作为补强剂显著提高橡胶10-500nm得工业上常用的方法包括炉法、灯法、结构它具有高度发达的表面积（通常的耐磨性、抗撕裂性和强度此外，炭导热法和乙炔法等不同制备方法生产为），良好的导电性和导黑还广泛用于塑料、油墨、涂料、电池10-1500m²/g的炭黑具有不同的粒径、结构和表面性热性，以及强烈的黑色和遮盖力主要制造等领域不同牌号的炭黑针对不同质，适用于不同的应用场景由无定形碳组成，表面含有各种含氧官应用进行优化，满足各种特定需求能团焦炭制备过程焦炭主要通过煤的干馏过程制备，即在隔绝空气的条件下高温（）热解煤工业上主要在焦950-1050℃炉中进行，整个焦化过程通常需要小时在这一过程中，煤中的挥发分被驱除，剩余的固定碳重新12-20排列，形成具有一定强度和孔隙度的焦炭物理化学性质焦炭主要由固定碳（）组成，还含有少量灰分、挥发物和硫它具有多孔性结构，密度约为85-90%

1.8-，具有较高的机械强度和耐热性焦炭燃烧时几乎不冒烟，热值约为，是优质的工

1.9g/cm³29-31MJ/kg业燃料和还原剂冶金应用焦炭在钢铁工业中扮演三重角色还原剂（将铁矿石中的氧化铁还原为金属铁）、热源（提供冶炼所需的热量）和支撑材料（在高炉中形成多孔结构，允许气体流通）高炉炼铁对焦炭质量要求严格，需要高强度、低硫、低灰分的冶金焦其他用途除冶金外，焦炭还用于有色金属冶炼、化工原料（如合成气、钙制备）、铸造工业（作为燃料和carbide还原剂）等焦化过程中产生的副产品（如煤焦油和粗苯）是重要的化工原料，可加工成数百种有机化合物富勒烯发现历史理论预测（年代）11970在富勒烯正式发现前，一些化学家和物理学家已经开始理论预测可能存在的碳原子笼状结构日本化学家大澤映二和英国化学家David Jones分别在1970年和1966年提出了笼状碳分子的可能性突破性发现（年）219851985年，Harold Kroto、Robert Curl、Richard Smalley等科学家在研究星际空间中的碳链时，意外发现了C₆₀分子他们使用激光蒸发石墨，在质谱中观察到特征峰，证实了这种新型碳分子的存在他们将其命名为巴基球（Buckminsterfullerene），向美国建筑师巴克明斯特·富勒致敬富勒烯分离（年）31990Wolfgang Krätschmer和Donald Huffman团队在1990年首次成功大量提取纯化富勒烯，使这一材料的深入研究成为可能他们通过电弧放电方法蒸发石墨，然后用有机溶剂提取产物，实现了富勒烯的宏量制备诺贝尔化学奖（年）41996为表彰富勒烯的发现，Harold Kroto、Robert Curl和Richard Smalley三位科学家共同获得了1996年诺贝尔化学奖这一发现开创了碳纳米材料研究的新纪元，影响了后来石墨烯和碳纳米管等材料的研究发展富勒烯结构₆₀分子结构高度对称性其他富勒烯种类C是最典型的富勒烯分分子具有极高的对称除外，还存在多种不C₆₀C₆₀C₆₀子，由个碳原子构成性，属于截角二十面体同的富勒烯分子，如、60C₇₀一个封闭的笼状结构，点群（）所有碳原、等这些分子I_h C₇₆C₈₄形状类似足球这一结子在分子中的位置完全都遵循封闭笼状结构原构精确地包含个六元等价，而碳碳键则分为则，但形状和大小各异20-环和个五元环，符合两类位于五元环和六理论上，通过不同数量12欧拉定理每个碳原子元环交界处的键和位于的碳原子排列，可以构都与三个相邻碳原子形两个六元环交界处的键建无数种富勒烯结构，成共价键，采用杂化，这种对称结构赋予富勒形成一个庞大的分子家sp²但由于结构弯曲导致杂烯独特的物理化学性质族化状态介于和之sp²sp³间富勒烯物理化学性质溶解性1与大多数碳材料不同，富勒烯能溶解于多种有机溶剂，如甲苯、二硫化碳等在溶剂中呈C₆₀现紫色，而则呈现红棕色富勒烯的溶解性使其可以通过传统的有机化学方法进行提纯和C₇₀化学修饰，大大扩展了其应用可能性电学性质2富勒烯分子具有独特的电子结构和良好的电子接受能力可以可逆地接受多达个电子，C₆₀6形成稳定的富勒烯阴离子在一定条件下，富勒烯可以表现出半导体性质，甚至在掺杂某些金属后表现出超导性，如的超导临界温度可达K₃C₆₀18K光学性质3富勒烯具有显著的非线性光学特性和紫外可见光吸收特性在光照下，富勒烯可以产生单线-态氧等活性氧物种，表现出光敏特性此外，富勒烯还具有良好的光电转换特性，可用于太阳能电池中的电子受体材料物理形态4纯化的为黑色粉末或晶体，晶体结构为面心立方晶格富勒烯分子间通过弱的范德华力相C₆₀互作用，熔点约为，远低于石墨和金刚石在常温常压下化学稳定性良好，但在空气中800℃长期存放会缓慢氧化富勒烯潜在应用医药领域是富勒烯最有前景的应用方向之一富勒烯及其衍生物表现出抗氧化、抗病毒和抗癌活性，可用作自由基清除剂和药物载体水溶性富勒烯衍生物已在多种生物医学应用中显示潜力，包括靶向药物递送和生物成像纳米技术领域，富勒烯可用于构建分子机器、传感器和纳米电子器件富勒烯的笼状结构可以包裹原子或小分子，形成内嵌富勒烯（），具有独特的物理化学性质，在量子计算和分子开关等领域有潜在应用endohedral fullerenes在能源领域，富勒烯及其衍生物被广泛应用于有机太阳能电池中，作为电子受体材料显著提高能量转换效率此外，富勒烯还可用于制备超级电容器、锂离子电池和燃料电池等能源存储和转换设备，提高其性能碳纳米管发现早期观察（年）1952俄罗斯科学家和在年首次L.V.Radushkevich V.M.Lukyanovich1952通过电子显微镜观察到管状碳纳米结构，发表在苏联科学期刊上然而，由于当时的冷战背景和语言障碍，这一发现未在西方科学界引起广泛关注年的重大发现1991年，日本电气公司（）的科学家饭岛澄男（）在1991NEC SumioIijima研究富勒烯合成过程中，通过高分辨电子显微镜观察到多壁碳纳米管（）他详细描述了这些纳米管的结构，并推动了后续的系MWCNTs统研究，被广泛认为是碳纳米管的正式发现者单壁碳纳米管（年）1993年，饭岛澄男和美国公司的分别独立发现了1993IBM DonaldBethune单壁碳纳米管（）单壁碳纳米管结构更简单、性质更特殊，SWCNTs代表了碳纳米管研究的重要进展，为后续应用开辟了更广阔的空间碳纳米管结构管状结构手性和非手性端部与缺陷碳纳米管可以视为将石墨片卷曲成无缝圆筒根据石墨片卷曲的方式，碳纳米管可分为三碳纳米管的端部通常由五元环和六元环组合形成的中空管状结构根据石墨层数可分为种不同的结构类型扶手椅型封闭，类似半个富勒烯分子实际合成的碳单壁碳纳米管（，仅有一层石墨层（）、锯齿型（）和手性纳米管中还存在各种结构缺陷，如五元环SWCNT armchairzigzag-卷曲形成）和多壁碳纳米管（，由型（）这种结构差异由卷曲向量七元环对、空位、插入原子等，这些缺陷会MWCNT chiral多层同心石墨层嵌套形成）碳纳米管直径（）描述，决定了碳纳米管的直径和手显著影响碳纳米管的物理化学性质，有时可n,m通常在之间，长度可达几毫米甚性角，进而影响其电学性质，如扶手椅型表成为功能化修饰的活性位点

0.4-100nm至厘米级现为金属性，而锯齿型和手性型可能是金属性或半导体性碳纳米管物理性质⁹1TPa10A/cm²杨氏模量电流密度单壁碳纳米管的杨氏模量约为，是钢的约单壁碳纳米管可承受的最大电流密度高达1TPa510⁹倍，使其成为已知最坚固的材料之一，比铜线高几个数量级A/cm²6000W/m·K热导率碳纳米管的理论热导率高达，远高6000W/m·K于金刚石和铜，是最好的热导体之一碳纳米管的力学性能极为卓越，这得益于碳碳键的强度和管状结构的特殊几何形状除了极高的杨氏模量外，碳纳米管还具有出色的抗拉强度（可达，是高强度钢的倍）和良好的柔韧性，可63GPa20在承受大应变后回复原状而不断裂在电学性质方面，碳纳米管表现出独特的一维量子导体特性根据其手性，约的碳纳米管表现为1/3金属性，其余为半导体性金属性碳纳米管的电导率极高，接近量子极限；而半导体型碳纳米管则具有可调的带隙，对电场非常敏感，适合用于制造场效应晶体管碳纳米管化学性质化学稳定性化学修饰12碳纳米管具有较高的化学稳定性，碳纳米管可通过共价和非共价方式在常温下对大多数化学试剂不发生进行化学修饰，改变其溶解性和功反应这种稳定性源于其完美的能特性共价修饰包括氧化（引入碳原子网络结构，类似于石墨羧基、羟基等含氧基团）、卤化、sp²然而，碳纳米管的曲率导致部分烷基化等反应；非共价修饰则通过π键张力增加，使其活性略高于石墨堆积、静电相互作用或疏水相π-π端部和缺陷位置的碳原子活性更高，互作用实现，如与表面活性剂、聚常成为化学反应的优先位点合物或生物分子的吸附复合填充3碳纳米管的中空结构可用于填充各种原子、分子或纳米颗粒，形成填充型碳纳米管（如金属填充碳纳米管）这种填充可通过毛细作用、气相沉积或溶液法实现填充后的碳纳米管往往呈现出新的物理化学性质，拓展了应用领域，如磁性材料、催化剂和药物传递系统碳纳米管应用前景复合材料领域是碳纳米管最成熟的应用方向添加少量碳纳米管可显著提高聚合物、陶瓷或金属基体的力学、电学和热学性能这类复合材料已在体育器材、航空航天结构、汽车零部件等领域逐步应用，实现轻量化和高性能化电子器件方面，碳纳米管可用于制造场效应晶体管、逻辑电路、透明导电薄膜和柔性电子器件半导体型碳纳米管晶体管具有极高的载流子迁移率和优越的开关比，有望突破硅基电子器件的性能瓶颈，支持更小、更快的电子设备开发能源存储领域，碳纳米管在锂离子电池、超级电容器和燃料电池中表现出色其大比表面积、出色的导电性和电化学稳定性使其成为理想的电极材料和导电添加剂，提高能源存储设备的容量、功率密度和循环寿命石墨烯二维碳材料理论预测1早在世纪年代，科学家就在理论上探讨了二维石墨片的存在可能性然而，长期2040以来物理学界普遍认为，严格的二维晶体在热力学上不稳定，无法在自然界独立存在这种理论预期使科学家们对石墨烯的实际分离持怀疑态度年的突破性发现22004年，英国曼彻斯特大学的安德烈海姆（）和康斯坦丁诺沃肖洛夫2004·Andre Geim·（）使用一种出人意料的简单方法微机械剥离法（俗称Konstantin Novoselov——胶带法），成功从石墨中分离出单层石墨烯他们用胶带反复撕拉高定向热解石墨，然后将薄层转移到硅基底上，首次实现了石墨烯的分离和表征年诺贝尔物理学奖32010仅仅在发现六年后，安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫因对二维材料石墨烯的开创··性实验共同获得了年诺贝尔物理学奖这一奖项的迅速授予体现了科学界对石2010墨烯这一革命性材料的高度认可，也加速了全球范围内石墨烯研究和应用的发展热潮石墨烯结构特点单原子层蜂窝状结构杂化微观褶皱sp²石墨烯中的碳原子采用尽管理论上石墨烯应该石墨烯是由单层碳原子杂化方式，每个碳原是完全平坦的二维结构，sp²紧密排列成的二维蜂窝子通过三个键与相邻碳但实际上自由悬浮的石σ状晶格结构，厚度仅为原子连接，剩余的轨道墨烯表面存在纳米级的p一个碳原子（约

0.34纳电子垂直于平面形成离起伏和褶皱这些微观米）每个碳原子与周域的键这种特殊的变形是由热波动引起的，π围三个碳原子形成强共电子排布使石墨烯具有在一定程度上稳定了二价键，构成规则的六边半金属性质，电子可维结构，使石墨烯能够π形网格这种结构可视以在整个平面自由移动，在室温下保持稳定，这为石墨的一个原子层，赋予石墨烯优异的电子突破了之前认为二维晶也是所有石墨基材料传输性能和高电子迁移体在热力学上不稳定的（如富勒烯、碳纳米管率理论预期和石墨）的基本构建单元石墨烯物理性质电学性质力学性质1零带隙半金属，电子迁移率超过杨氏模量约，断裂强度200,000cm²/V·s1TPa130GPa2光学性质热学性质4可见光透过率，吸收率仅为3热导率约，超过金刚石

97.7%

2.3%5000W/m·K石墨烯的电学性质最为独特，其电子呈现出类似于无质量的狄拉克费米子行为，以约光速移动这种奇特的电子结构使石墨烯表现出量子霍尔效应、1/300隧穿效应等量子现象，即使在室温下也可观察到Klein在力学方面，石墨烯是已知最坚固的材料之一，单层石墨烯的断裂强度约为，比结构钢高约倍同时，石墨烯还具有出色的柔韧性，可以拉伸约130GPa200而不断裂20%石墨烯的热导率高达约，远高于铜和金刚石，是已知最好的热导体而在光学性质方面，尽管只有一个原子层厚度，单层石墨烯仍能吸收的5000W/m·K

2.3%入射白光，这一精确值与精细结构常数有关，体现了石墨烯的量子本质π·α。