新型碳单质及其性质
碳元素可以说是自然界最为神奇的元素，它不仅构成地球上生命体不可或缺的元素，而且还构成了许多性质奇特的碳单质，例如最为坚硬的金刚石、可以导电的石墨以及具有吸附作用的活性炭。在纳米世界，碳元素的表现也同样神奇，它构成了结构和性能奇特的、具有多种功能的新型纳米碳单质:石墨烯(graphene)、富勒烯(fullerene)和碳纳米管(carbonnanotube)。
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石墨烯
石墨烯是三种碳纳米材料中最晚得到的一个。众所周知，石墨是三维材料，石墨晶体是由平面的层型分子靠范德华力堆积而成。
而1985年发现的富勒烯是零维材料以及1991年发现的碳纳米管是一维材料，因此，人们很早就意识到可能存在碳二维材料。尽管严格的二维晶体在热力学上是不稳定的，但经过长期的探索，于2004年，Novoselov等第一次用机械剥离法获得单层、2层和3层石墨烯片层，而且可在外界环境中稳定地存在。随后科学家发现，石墨烯片层表现出物质微观状态下固有的粗糙性，表面会出现褶皱。可能正是这些三维褶皱巧妙地促使二维晶体结构稳定存在。石墨烯片层上存在大量的悬键使得它处于动力学不稳定的状态，而褶皱的存在使得在石墨烯边缘的悬键可与其他的碳原子相结合，从而使系统能量降低。
完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，它由六边形晶格组成，可以看作是一层被剥离的石墨片层。其每个碳原子通过很强的σ键与其他3个碳原子相连接，这些很强的C-C键致使石墨烯片层具有优异的结构刚性。碳原子有4个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些与平面垂直的π电子可形成π轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。
石墨烯是构建其他维数碳素材料的基本单元。它可以包裹起来形成零维的富勒烯、卷起来形成一维的纳米碳管以及层层堆积形成三维的石墨
石墨烯可通过多种方法制备，这些方法包括机械剥离法、化学剥离法、化学分散法、Diels-Alder反应法、SiC表面石墨化法、金属表面外延法、化学气相沉积法等。
石墨烯是强度最高的材料，可以用作超轻型飞机、超坚韧防弹衣、太空电梯等;石墨烯是零带隙半导体，具备独特的载流子特性和优异的电学质量，制造微型晶体管将能够大幅度提升计算机的运算速度，未来会取代硅成为下一代半导体材料;从光学角度来说，石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的、未来资源短缺的钢氧化物薄膜，用作液晶显示材料。此外，由于石墨烯还可用作电极材料、传感器、储氢材料、高效催化剂、超导材料等。
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富勒烯
富勒烯可以看成是由石墨烯包裹起来形成的零维材料。1985年，在模拟星际间及恒星附近碳原子族的形成过程中，Kroto等用研究半导体和金属原子族的激光超生团族束流发生器观察了在超声氦气中激光蒸发SiC2的实验。当用石墨代替SiC2时，从质谱中发现存在一系列由偶数个碳原子形成的分子，其中一个比其他峰强度大20~25倍，质量数对应于C60，即富勒烯C60(受到著名建筑设计师Fuller设计的加拿大蒙特利尔市万国博览馆美国馆的短程线圆屋顶结构的启发而提出的名字)、或足球烯(Footballene,与足球结构类似)或巴基球(Buckyball)。为此，Kroto、Curl和Smalley荣获了1996年度贝尔化学奖。
C60是由60个碳原子构成的球形32面体，具球形结构，即由12个五边形和20个六边形组成，其中五边形彼此不相连。
每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻三个碳原子相连形成σ单键，剩余p轨道在C60球壳外围和内腔形成球面离域大π键。
因此C60分子中，碳与碳之间形成的键，不是单纯的单键或双键，而是类似苯分子中的介于单键和双键之间的特殊键。C60由于结构上的高度对称性，使这些电子形成高度简并，有重叠的分子轨道，因而C60是一种较稳定的分子。
自从1990年Keschmer等人发明用电弧法大量合成C60以来，人们探索出许多生产富勒烯及其行生物的新方法，主要有:电弧法、催化法、微空模板法、等离子束轰击法、激光法电解合成法。碳氢合成法以及高温高压法提取畜勒烯及其衔生物等。目前仍以电弧法为最有效、成本最低。
从结构推测，C60应该具有芳香性，但同芳香化合物不一样，它难与亲电试剂发生反应，而易与亲核试剂发生反应，表现出缺电子化合物的反应性。其化学行为像缺电子的烯烃，而不像芳香化合物。由于C60的中空球形结构使得它能在球的内外表面都能进行反应，从中得到各种功能的C60衍生物。发生主要的反应包括亲核加成反应、自由基反应、氧化还原反应、聚合反应等。
富勒烯的结构特征和特殊的物理化学性质使得它在许多领域具有潜在的广泛应用。用金属或碳掺杂的C60具有超导性，例如K3C60(超导转变温度，Tc=18K)、Rb3C60(Tc=28K)、(Tc=45K)等，有人预言掺杂C240和C540可能成为具有更高Tc的超导体;C60和C70溶液具有光限幅性，可作为数字处理器中的光阈值器件和强光保护器:此外，富勒烯还可用作高效的催化剂等。
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碳纳米管
碳纳米管可看成是石墨烯卷起来形成的一维纳米材料。1991年日本科学家饭岛澄男用电镜观察到在电弧法制备C60过程中，阴极炭黑中含有一些直径为4~30nm、长约1μm、由2~50个同心管构成的针状物——碳纳米管。
碳纳米管分为单壁纳米管和多壁纳米管两大类。多壁碳纳米管是由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成，管间距约为0.34nm,稍大于单晶石墨的层间距0.335nm,且层与层之间的排列是无序的。碳原子的六边形排列和碳间距的出现反映了碳纳米管具有类石墨单晶的结构。但单壁碳纳米管其结构接近于理想的富勒烯，两端之间是有单层的同柱面封闭。单壁碳纳米管可分为扶手式(armchair)碳纳米管、锯齿形(zigza)碳纳米管和手性碳纳米管(chiral)三种类型。
这些类型的碳纳米管的形成取决于由六边形碳环构成的石墨烯是如何卷起来形成圆简形的，不同卷曲方向和角度将会得到不同类型的碳纳米管。
制备碳纳米管方法有很多，主要包括电弧法、激光蒸发法、催化剂气相分解法等。
碳纳米管的侧面的基本构成是由六边形碳环(石墨片)组成，但在管身弯曲和管端口封顶的半球帽形部位则含有些五边形和七边形的碳环结构。因为构成这些不同碳环结构的C-C共价键是自然界中最稳定的化学键之一，所以碳纳米管应该具有非常好的力学性能，其强度接近于碳碳键的强度。单壁碳纳米管的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当，其强度是钢的100倍，而密度却只有钢的1/6,同时还具有较好的柔性，其延伸率可达百分之几，是一种新型的超级纤维材料。
碳纳米管与石墨一样，碳原子之间是sp2杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上，因此碳纳米管具有优良的导电性能。根据卷曲情况的不同，碳纳米管的电学特性不同，例如，单臂纳米管具有金属的导电性，而锯齿形纳米管和手性形纳米管中部分为半导体性，部分为导体。因此，具有导电性的碳纳米管可用作纳米集成电路中的连接线，而半导性碳纳米管则可以用来制作纳米电子器件。
碳纳米管具有较强的宽带微波吸收性能、重量轻、导电性可调、高温抗氧化性能强和稳定性好等优点，因而它是一种有前途的理想微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。国外已有公司宣布开发出碳纳米管聚合物复合微波吸收材料。
碳纳米管具有良好的储氢性能，单壁碳纳米管储氢达到4%，钾掺杂多壁碳纳米管储氢达14%，锂掺杂多壁碳纳米管储氢高达20%，因此，掺杂碳纳米管是很有潜力的储氢材料，将促进氢燃料汽车的研发。
碳纳米管由于尺寸小，比表面积大，表面的键态和颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，是理想的催化剂载体材料。
