文 | 囚鳥筆記
編輯 | 囚鳥筆記
1991年日本物理學家伊格馬，進行了一項重要的實驗，這項實驗向世界介紹了一種如此強大的材料。它可以徹底改變工程師的設計方法。
日本物理學家伊格馬
伊格馬以兩根石墨棒為電極，在兩根石墨棒之間施加電流，一顆火星在他們之間拱起，隨之形成了一團大篷車的氣體，使這片乾旱的尖端蒸發。當充滿碳的空氣落在腔室壁上時，就形成了一層薄薄的黑醬。在一種奇怪的新材料中，出現了微小的單層的篷車稻草，伊格馬剛剛創造出碳奈米管。在接下來的幾年裡，實驗室對這些神秘的小管進行了測試，結果顯示這些奈米白色六角形碳晶格，具有人類已知的最強的抗拉強度。這只是他們展示的許多令人難以置信的材料特性之一。
展示的許多令人難以置信的材料特性之一
碳奈米管具有光導性和生物相容性，人們很快發現碳奈米管有潛力成為未來新技術的基石，最高效的計算機 革命性的醫療裝置，人造肌肉可能是所有太空電梯中最雄心勃勃的，無數科幻作家的夢想，碳奈米管有望成為下一次技術革命的催化劑，但是將這種革命性材料付諸實踐並非易事。
碳奈米有望成為下一次技術革命的催化劑
事實證明建造一個纖維，實際上是任何重要土地的單個分子，要理解這個迷人的分子是非常困難的，讓我們深入研究碳奈米管的化學組成。碳是一種很常見的元素，我們常吃的 睡得 踩得都有，它是將我們的DNA結合在一起的元素，正如我們所知 它是生命的基礎，它在我們生活中無處不在是因為它的多樣性。
在電子顯微鏡下碳奈米管的樣子
它的化學特性使其具有多種不同的形狀。每一種形狀都以不同和獨特的方式影響其材料特性，為了理解這一點 我們需要理解基本的模型，即我們如何將電子圍繞原子核的軌道形象化。首先我們有一個簡化的內徑模型，它把電子分成殼層，第一層可以包含兩個電子，而第二能層可以容納aceAn原子，想要填滿每一個穩定的電子層，讓我們以一個碳原子為例 它有6個電子，我們用它的2個墊子填滿第1層，然後剩下4個電子填滿下一個能量層，在它的最外層留下4個空位。
製作3D碳奈米管的模型圖
這四個開放的位置意味著什麼？碳願意與許多其他元素以及它自己相互作用，通常是透過共享一種方式，稱為共價鍵的特殊型別的電子，這種多功能性使得碳能夠創造許多不同種類的分子，氫有一個電子它尋找一個電子填滿它的內殼層。所以卡里班喜歡和四個氫原子形成，四個共價鍵來形成穩定的ace電子外層。同時幫助氫原子形成穩定的2層電子，這是甲烷一種非常常見的分子，是天然氣燃料的主要成分，這只是一種排列方式而已。可以使碳氫化合物有各種各樣的形狀和構型，但我們感興趣的是碳如何與自身成鍵，但是這個簡化的模型並不能讓我們理解。
碳與碳之間的鍵是如何形成截然不同的形狀的
碳與碳之間的鍵是如何形成截然不同的形狀的，在我們理解碳奈米管的魔力之前，我們需要再深入一點，電子並不像棋盤模型所暗示的那樣，在良好的二維圓形軌道上運動，事實上我們甚至不能知道電子的位置和速度，相反我們可以預測電子在三維空間中的一般位置。我們稱之為軌道，有一些區域我們有90%的把握，電子就在這個區域的某個地方，這可能會很複雜，但現在我們只需要關注兩種標準的軌道，S軌道是球形的原子核位於其中心，P軌道通常被稱為啞鈴形。但我不知道這些書呆子會怎麼想，因為我從來沒見過這樣的啞鈴，它更像是一個8字形就像無窮大的符號。在地面空間電子裝置會佔據能量最低的1號軌道，在這種情況下是s軌道，它可以容納兩個電子裝置，接下來我們有兩個s軌道，它有一個更大的球體也可以容納兩個電子，然後我們有三個P軌道一個沿著X-Y排列，每個軌道都能容納兩個電子，碳在它的地面空間有1個S軌道和2個S軌道。
碳奈米材料生成的碳奈米線
在PX軌道和P-Y軌道分別有1個和1個電子，為了穩定 碳想讓這三個軌道各填入兩個電子，現在事情就會變得有點奇怪和混亂，碳可以 以不同的方式與自己結合，從而影響這些軌道的形狀。用鑽石填充這些軌道，碳與四個相鄰的碳原子成鍵，為了做到這一點它把一個電子，從它的兩個s軌道提升到空的pset軌道，這個P-Z軌道比兩個s軌道能量更高，電子不想留在那裡，所以碳亞當採用了一個新的雜化軌道形狀來補償。這叫做sp3雜化 它是標普軌道形狀的混合物。看起來像這樣 ace的一邊膨脹而另一邊收縮，兩個S軌道和三個P軌道，轉變成這些新的sp軌道形狀，它們在這個條約空間中相等地互相排斥，現在碳分子之間形成了低共價鍵，這些軌道瓣正面重疊形成了所謂的鍵，這就形成了這樣的重複結構。
碳奈米管的合成示意圖
正是這種碳原子的剛性結構，使得鑽石具有極強的殺傷力，現在你可以用同樣的碳原子形成石墨，一種非常柔軟的材料，我們可以用它來做鉛筆和潤滑劑。這是怎麼做到的呢？這裡是另一種雜化，再一次兩個s軌道的一個電子被提升到小軌道，但這一次s軌道只與兩個p軌道雜化，給了我們新的SP雜化，這就得到了3個SP雜化軌道和1個常規p軌道。
給了新的SP雜化就得到了3個SP雜化軌道和1個常規p軌道
這種新的排列方式使軌道呈現出新的形狀，三個SP軌道在一個平面上排列，彼此間隔120度，非雜化的p軌道垂直於它們，現在當碳原子結合時，sp軌道的頭再次重疊形成了這個扁平的六邊形。一個六邊形圖案自然是一個非常強大和節能的形狀，例如 蜜蜂並不是故意在六邊形中建造蜂巢，它們形成於溫暖的蜂體融化蠟的結果，然後三聯結在最強的形成中硬化，這種形狀經常用於高強度和低浪費的航空航天領域。
sp軌道的頭再次重疊形成了這個扁平的六邊形
這些SP鍵比SB鍵更強，因為它們具有更高的s性質，這聽起來很複雜但這意味著它們更像S軌道，而不是p軌道因為有3個SP鍵。它們有33%的特徵，而SB的3個軌道有4個，它們有25%的特徵 S軌道離原子核更近，使SB鍵比SB3鍵更短 更帶電負性 因此更強，這種六邊形結構和堅固的化學鍵使石墨烯非常堅固，使用原子力顯微鏡對石墨烯進行的實驗室測試顯示。石墨烯的楊氏模組為0.5個石體，極限抗拉強度為130吉帕。
正在為碳奈米材料的繩子進行測力
如此之強以至於如果我們能以某種方式，創造出完美的石墨烯薄片。雖然我們無法做到，但我們可以建造一個看不見的，單原子深吊床 可以支撐鑄件的重量，這就是我想要生活的世界。這是一個有趣但不是非常有用的應用程式，但石墨烯是一種非常常見的材料，而且我們常用的石墨形式並不牢固，這個六角形本身非常堅固，但由於石墨形成單原子層片，只有弱原子層範德牆的力量將它們粘在一起，薄片可以很容易地相互滑動，這就是石墨如此柔軟的原因。
碳奈米材料繩子的合成
有趣的是碳奈米管和石墨具有相同的六邊形結構，碳奈米管的兩端是簡單的環狀結構，並連線在一起形成一個管，這種結構賦予了碳奈米管驚人的強度，研究人員發現 單壁奈米管的強度與圖形冰相似，約為130吉帕其硬度大約是100倍的鋼。
