知乎上有一個問題 “你所在的領域裡，有哪些堪稱開山之作的論文？”

我的回答是： 在納米碳材料領域，里程碑論文有三篇，分別報道了富勒烯，碳納米管和石墨烯，其中兩篇得了諾貝爾獎。

（1）富勒烯——貴到極致 1985年，哈羅德·克羅託（Harold Kroto）和理查德·斯莫利（Richard Smalley）在Nature發表了一篇文章，說製備了一種碳的“小球”，60個碳原子組成。他們覺得這個結構和建築師巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的作品很相似，就將其命名為“巴克明斯特·富勒烯”，簡稱為富勒烯。截至 2017年5月， 這篇文章被引用了1萬5千次。 富勒的代表作品蒙特利爾生物圈（1967年）

這裡插播一句，其實“電鏡小達人”飯島澄男（Sumio Iijima）早在1980年就通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察到了碳的同心圓納米結構。但因為TEM技術只能觀察到微觀結構的平面投影，所以他沒意識到這可能是個球體。這位飯島教授還有很多好玩的故事，以後慢慢講。

最早發現的富勒烯是由60個碳原子以20個六元環與12個五元環連線而成，因為其足球狀空心對稱，所以也稱為 “足球烯”。如今，富勒烯家族已經十分龐大，還有C28、C32、C70、C78、C82、C84、C90、C96等。

對於富勒烯，科學家們有很多種玩法，最近很熱門的是內嵌富勒烯。因為富勒烯內部為空腔結構，可以在其內部嵌入某些特殊物質（原子、離子或原子簇），由此形成的富勒烯被稱為內嵌富勒烯。

此前，牛津大學制備出了內嵌一個氮原子的C60材料（[email protected]）。這種材料可以用於製造行動式原子鐘（目前原子鐘體積相當於一個房間），而且還能實現GPS導航精度控制在1毫米範圍。後來，研究人員拍賣了這批[email protected]，總共200微克（相當於一片雪花重量的十五分之一），成交價為3.2萬美元。

每克內嵌富勒烯價值10億人民幣！ 不過，內嵌富勒烯在超貴材料榜上只能排第二，排名第一的是暗物質，只是沒聽過誰買的。

（2）碳納米管——長到極致 上一部分中提到，1980年飯島澄男錯過了富勒烯，但人家也沒閒著。10年之後，他發表了一篇文章，說發現了一種石墨的“小管子”。文章中，飯教授說自己發現了一種類似麵條（needle-like）的碳材料，還拍了透射照片。

後來這種小管子被命名為碳納米管（Carbon Nanotubes）。從此，飯島教授就被稱為“碳納米管之父”。截至2017年5月，這篇文章被引用了4萬2千次。

碳納米管可以想象成一大塊碳原子的平面捲起來形成的管道，如同一張紙圈起來形成紙筒。因此，碳納米管有一個很有趣的特性：捲起來的方式決定了它的效能。 如果你有一張紙，那麼你有三種方式將它捲起來，分別是（a）沿著與邊平行的線，（b）沿著對角線，（c）沿著除了這兩種的其他線。如果按照a方法卷，可以得到鋸齒型碳納米管，近似半導體性質；如果按照b方法卷，可得到扶手椅型碳納米管，導電性奇高，此時，電子沿軸向傳輸不會發生散射，如同大炮發射炮彈一樣高效。按照c方法，可捲成螺旋型，效能介乎前兩者之間。

此外，碳納米管的重要特性就是它的神奇的長徑比，可以達到132000000:1。

就是說，

一根易拉罐那麼粗的碳納米管，它的長度可以橫跨歐亞大陸 （3）石墨烯——強到極致 2004年，安德烈·蓋姆（Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Novoselov）發表了一篇文章，說他們製備了一種碳的“小薄片”。後來這種小薄片被命名為石墨烯（Graphene）。截至 2017年5月，這篇文章被引用了3萬5千次。

他們的製備思路也很簡單：將一小片薄石墨黏在膠帶之間，揭開，新的表面再粘膠帶，揭開。反反覆覆幾百次，層數不斷減半，最終得到單層。用力不好就完全破壞樣品，成功率非常低。據說，老闆蓋姆親自上陣，帶著手下諾沃肖洛夫撕了一年膠帶，才最終成功。簡直就是現代版“鐵杵磨成針”的故事。

另外需要說明一下，這兩位得到諾獎不是因為他們發現了碳的一種特殊形態，以這個標準，飯島早就應該得獎了。 他們得到諾獎的首要原因是發現了單原子層的特殊物理性質，包括整數量子霍爾效應及常溫下的量子霍爾效應。

目前，石墨烯是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，強度是鋼的200倍，可以承受的壓力相當於一頭大象的重量作用在鉛筆頭的面積上。 即使是有缺陷的石墨烯，其力學效能也是首屈一指的。 此外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導熱係數高於碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過矽晶體，電阻率比銀更低。這麼說吧：

石墨烯強到極致，這裡的強不僅僅是“強度”的“強”，而是是“強大”的“強”。

本文來源：今日頭條 圓方未來