[发明专利]包含稳定碳炔链的层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种包含多个线性碳炔链的层的制备方法，该方法包括(a)对液体中的一块次石墨进行激光烧蚀，然后在稳定化金属纳米粒子的存在下对液体内所得到的碳结构进行激光辐照，从而形成胶体溶液；和(b)使所述胶体溶液的至少一部分经受AC电压，同时使得所述溶液干燥，从而形成包含多个碳炔链的二维层。

技术领域

本发明大体上涉及材料形成领域。更具体地，本发明涉及一种由次石墨制备稳定碳炔的方法。

背景技术

长期以来，不同形式的碳一直是化学家、物理学家和工程师进行大量研究的课题。金刚石、石墨烯、碳纳米管和富勒烯(仅举几例)具有广泛的不同特性。例如，石墨烯和纳米管最近在先进科学技术上取得了重大突破。在二十世纪八十年代发现富勒烯的研究人员在1996年获得了诺贝尔化学奖。发现了从石墨生产石墨烯的相对简单方法的其他研究人员Andrew Geim和Konstantin Novoselov在2010年因“关于二维材料石墨烯的开创性实验(for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional materialgraphene)”获得了诺贝尔物理学奖。最近，制造了一种新的碳基Q-碳材料。仍然有许多有趣的研究和发现新的碳基材料的空间。

碳由于其化合价而能够形成许多同素异形体(同一元素在结构上的不同形式)。这些同素异形体中最基本的包括金刚石、石墨、石墨烯和碳炔(carbyne)。金刚石是单键四面体sp³碳原子的三维网络。石墨烯具有形成为二维层的sp²结构，并且由双原子键和单原子键组成。石墨是由彼此层叠的多个类石墨烯层组成的二维sp²结构。在石墨中，轨道杂化和原子形成在平面中，每个原子键合到三个相距120°的最近的相邻原子。每个石墨平面中的原子共价键合，而每个原子的四个潜在键合中只有三个键合被满足。第四电子在平面内自由迁移，使石墨具有导电性。然而，其在与平面成直角的方向上并不导电。石墨层之间的结合较弱，这使得石墨层易于分离或相对于另一层滑动。

金刚石具有任何天然材料中最高的硬度和导热性，这些特性在诸如切割工具和抛光工具等主要工业应用中被利用。与厚度成正比的石墨烯比最坚固的钢坚固约100倍。它非常有效地传导热量和电，并且几乎是透明的。

在最近几十年中，已经发现和研究了更多的同素异形体或包括诸如巴克敏斯特富勒烯等球形和诸如石墨烯等片状的碳形式。碳的更大规模结构包括纳米管、纳米芽和纳米带。在非常高的温度或极高的压力下还存在其他异常形式的碳。

碳炔具有以sp结构排列的碳原子的线性(一维)链形式。碳炔链中的原子以(a)交替的三-单电子键键合或以(b)双电子键键合。根据理论预测，碳炔具有与所有已知材料相比明显优越的机械性能。例如，碳炔比金刚石硬40倍，比石墨烯硬2倍，并且具有比所有其他碳材料更高的抗拉强度。此外，碳炔的预测的机械特性和电子特性在纳米电子和光机械设备的设计上提出了许多新的方向。然而，碳炔在环境温度下极不稳定，因此在实践中，碳炔的这些特性都无法被利用。

已经进行了许多尝试来制造在环境温度下稳定的碳炔。例如，Pan等人于2015年10月在Sci.Adv.2015；l:el500857的“有限长度的碳炔：一维sp碳(Carbyne with FiniteLength:The One-Dimensional sp Carbon)”中提出了形成碳炔的两个阶段过程。在第一阶段中，使用“液体中的激光烧蚀(LAL)”技术合成物质的溶液，并且在第二阶段中，使用高效液相色谱技术对溶液进行纯化，得到碳炔原子链。Shi等人于2016年6月在自然材料(NatureMaterials)第15卷的“作为通向本体碳炔路径的受限的线性碳链(Confined LinearCarbon Chains as a Route to Bulk Carbyne)”中提出了一种最多可包含6000个原子的长碳炔链的形成技术。然而，Shi等人的技术要求将物质加热到从900℃至1450℃之间的非常高的温度。