在科学上，以碳原子存在形式对碳材料进行分类，自然界存在三种碳材料。**种是以三维sp3杂化结构碳原子构成的金刚石，第二种是以二维sp2杂化结构碳原子构成的石墨，第三种是以一维sp杂化结构碳原子构成的白碳。《第三种碳：白碳》简述了金刚石和石墨的合成、结构和应用，介绍了白碳的研究历史，提出了白碳的分类和定义；阐述了合成白碳的各种技术，并重点论述液相激光烧蚀合成白碳的优越性；系统介绍了白碳纳米晶的合成、结构、物性以及可能的应用；总结了白碳研究的*新进展以及有待解决的关键科学技术问题，并预测白碳的合成必将迎来碳科学技术的新时代。

目录
序
第1章 引言 1
参考文献 3
第2章 **种碳：金刚石 6
2.1 金刚石的历史 6
2.2 金刚石的结构和性质 8
2.2.1 金刚石的结构 8
2.2.2 金刚石的性质 9
2.3 金刚石的合成 10
2.3.1 高温高压合成金刚石 10
2.3.2 化学气相沉积合成金刚石薄膜 11
2.3.3 其他合成技术 13
2.4 金刚石的应用 14
2.4.1 超硬材料 14
2.4.2 光学材料 14
2.4.3 半导体材料 15
2.4.4 量子材料 15
2.4.5 生物医用材料 16
2.5 金刚石的同素异形体 17
2.5.1 六方金刚石 17
2.5.2 体心立方碳 23
2.5.3 新金刚石 25
参考文献 26
第3章 第二种碳：石墨 30
3.1 石墨的历史 30
3.2 石墨的结构和性质 32
3.2.1 石墨的结构 32
3.2.2 石墨的性质 33
3.3 石墨的制备 34
3.4 石墨的应用 35
3.4.1 耐高温材料 35
3.4.2 导电材料 35
3.4.3 润滑材料 36
3.4.4 核石墨 36
3.4.5 其他材料 37
3.5 石墨的同素异形体 37
3.5.1 富勒烯 37
3.5.2 碳纳米管 40
3.5.3 石墨烯 44
参考文献 47
第4章 第三种碳：白碳 49
4.1 白碳的研究历史 49
4.2 白碳的分类和定义 59
4.3 白碳的结构和性质 62
4.3.1 白碳的结构 62
4.3.2 白碳的性质 71
4.4 白碳的同素异形体 73
4.4.1 碳链 73
4.4.2 碳环 78
参考文献 81
第5章 白碳的合成 86
5.1 有机合成技术 86
5.1.1 传统有机合成技术 86
5.1.2 新的有机合成技术：固态聚合 90
5.2 物理气相合成 96
5.2.1 蒸发与凝聚 96
5.2.2 物理气相沉积 102
5.3 化学气相合成 106
5.3.1 有机聚合物热解 106
5.3.2 等离子体热解 107
5.3.3 化学气相沉积 107
5.4 液相激光烧蚀合成白碳及其他亚稳碳相 109
5.4.1 纳米金刚石合成 109
5.4.2 新金刚石合成 119
5.4.3 C8纳米晶合成 125
5.4.4 C8-like碳纳米方块合成 132
5.4.5 白碳纳米晶合成 136
参考文献 142
第6章 白碳晶体结构和性质 149
6.1 白碳晶体结构 149
6.1.1 白碳晶体结构表征 149
6.1.2 白碳晶体结构模型 150
6.1.3 碳链扭折结构的原子图像 152
6.1.4 碳链间范德瓦耳斯作用 161
6.2 白碳晶体性质 168
6.2.1 热稳定性 168
6.2.2 电子结构和输运特性 169
6.2.3 磁性 172
6.2.4 光学性质 179
6.2.5 铁磁性 196
6.2.6 超导性 203
参考文献 207
第7章 白碳纳米晶的应用 212
7.1 可见光驱动的气敏传感器 212
7.1.1 材料制备与器件组装 213
7.1.2 可见光驱动的室温气敏传感特性 214
7.1.3 传感物理机制 219
7.2 高温深紫外光电探测器 222
7.2.1 材料光吸收特性 223
7.2.2 高温深紫外光电响应 224
7.3 荧光和比色双功能探针 229
7.3.1 实验材料与表征技术 230
7.3.2 荧光猝灭和显色活性 231
7.3.3 荧光猝灭和显色特性的机理 235
7.4 光剪裁纳米酶活性 237
7.4.1 材料制备与表征技术 238
7.4.2 过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性 239
7.4.3 光致类氧化酶活性 242
7.4.4 类酶活性机制 243
7.5 富白碳碳膜机械能采集器 246
7.5.1 材料制备与表征技术 247
7.5.2 材料结构与性能 248
7.5.3 原理器件 253
参考文献 257
第8章 总结与展望 264
8.1 金刚石 265
8.2 石墨 267
8.3 白碳 269
附录 杨国伟研究组发表白碳相关的研究论文目录 272
后记 275

第1章 引言
　　碳是自然界一种很常见但又很重要的元素，它以多种形式存在于地球与外层空间，也是已知的所有生命系统都不可或缺的元素。碳材料以不同的碳原子构型即多种同素异形体（allotrope）而广泛地用于工业的许多领域。一般来说，在科学上，如果以碳原子存在形式对碳材料进行分类的话，那么自然界中应该存在三种碳材料。**种是以三维sp3杂化结构碳原子构成的金刚石，以及基于sp3杂化碳的朗斯代尔石（lonsdaleite，六方金刚石）、C8和新金刚石等金刚石的同素异形体[1-3]。第二种是以二维sp2杂化结构碳原子构成的石墨，以及基于sp2杂化碳的富勒烯、碳纳米管和石墨烯等石墨的同素异形体。众所周知，这两种碳及相应的同素异形体如金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等[4-6]的研究不仅对人类的科学认识产生了重要影响，而且极大地推动了技术的进步，在工业应用中发挥着巨大作用。然而，除了金刚石和石墨以外，自然界还应该存在第三种碳，即由一维sp杂化结构碳原子构成的carbyne。所谓一维sp杂化结构是指由碳原子构成的线型链状结构，其中碳原子之间以碳-碳单键和碳-碳三键相连（图1-1）。
　　图1-1 三种碳的结构示意图
　　第三种碳的研究*早可以追溯到19世纪。1885年，德国著名化学家拜耳（A.Baeyer）开始探索合成一维sp杂化碳的聚合物[7，8]，然而，这一重要的研究方向在随后的几十年中并没有引起人们的关注。直到20世纪60年代，科学家们才真正对第三种碳感兴趣。1968年4月，苏联科学院异质有机化合物研究所和矿物燃料研究所的科学家斯拉德科夫等[9]在苏联科学院普通化学和技术化学学部召开的大会上报告了他们十余年来在具有线型分子的链状聚合物合成方面的研究成果。他们通过乙炔的氧化聚脱氢缩合反应制备了一种新型碳聚合物，这种碳聚合物不同于金刚石和石墨，被认为是碳的第三种存在形式，并被命名为carbyne。这就是carbyne的由来。同时，1968年7月，美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的地球物理学家埃尔？戈雷西（A.EI Goresy）和唐纳（G.Donnay）[10]在《科学》杂志报道了在德国一个著名的陨石坑中发现一种新的六角相碳矿物质，它是一种灰白色粉末，他们推测这可能是碳的第三种存在形式，并将这种矿物质命名为赵石（chaoite），以表彰美国地质调查局的美籍华裔地质学家和岩石学家赵景德（Edward. C.T.Chao）在陨石撞击研究方面的科学贡献。这一里程碑式的重大科学发现激起了人们对新型碳材料研究的极大热情。自此，来自物理、化学和材料等领域的科学家开始探索在实验室合成carbyne[11-16]。同时，理论学家预测了carbyne在物理和化学上有着许多奇异的性质，并使得它在诸多领域都会像富勒烯和石墨烯等碳的同素异构体一样有着重要的潜在应用[17-19]。尽管科学家们尝试了无数的物理制备和化学合成，然而，截至2015年12月前，还没有任何令人信服的实验证据表明人们能够在实验室合成carbyne。难道carbyne真的只是一个碳传说（carbyne myth）吗？这种猜测成了国际碳材料研究者脑海里挥之不去的疑云[20]。
　　2015年12月，中山大学杨国伟研究组在国际权威学术期刊《科学进展》以《有限链长的carbyne：一维sp碳》（Carbyne with finite length：The one-dimensional sp carbon）为题目报道了他们在国际上**次合成了carbyne及其凝聚晶态相的carbyne晶体[21]。在20世纪90年代中期，杨国伟研究组发展了一种*特的制备亚稳相纳米材料与纳米结构的方法，即液相激光烧蚀（laser ablation in liquids，LAL）[22， 23]，并且采用LAL方法制备了一系列新型亚稳相碳纳米材料和纳米结构[24-31]。现在，他们将LAL技术用于carbyne的合成研究。通过选择合适的环境液体和固体靶材料，他们巧妙地利用贵金属高温脱氢反应和LAL所提供的高温高压热力学环境，在液相中实现了carbyne分子的成核与生长，合成出了carbyne纳米晶—一种白色粉末晶体（图1-2）。重要的是，他们*次给出了carbyne纳米晶包括完整的拉曼光谱在内的各种特征谱和完美的晶体结构数据，这些重要的系统性原始实验数据在carbyne的研究历史上是**次得到的。所以，这些令人信服的实验事实充分表明除了金刚石和石墨以外，carbyne，这个曾经的“碳传说”，现在可以在实验室合成了！
　　图1-2 左侧为LAL合成的无色carbyne溶液；右侧为carbyne溶液自然干燥后的白色粉末晶体
　　显然，这一成果堪称碳材料研究的重大突破。carbyne在当时没有相应的中文术语，根据它的研究历史，杨国伟将carbyne译为“白碳”。这样的话，自然界的三种碳就是：三维sp3杂化结构碳原子构成的**种碳即金刚石及其同素异形体、二维sp2杂化结构碳原子构成的第二种碳即石墨及其同素异形体和一维sp杂化结构碳原子构成的第三种碳即白碳及其同素异形体。
　　随后，杨国伟研究组发现，白碳具有链长调制的本征发光，其光谱覆盖了从紫外到红外的宽光谱区[32]。众所周知，除了金刚石以外，碳材料基本上是没有本征发光的。所以，不像碳材料在微电子学领域大放异彩，其在光电子学领域应用十分有限。显然，白碳的发光特性将会极大地推动碳光电子学的发展，进而在全碳光电子器件等应用中产生重要作用。所以，白碳的合成必将迎来一个碳科学和技术的新时代[33]。
　　本书*先简述金刚石和石墨的合成、结构和应用，然后介绍白碳的研究历史，讨论不同研究时期对白碳概念的不同理解，提出了白碳的合理分类和定义；其次描述科学家在探索白碳合成过程中发展的各种技术，并重点论述液相激光烧蚀技术合成白碳的优越性；再次全面系统地介绍白碳纳米晶的合成、结构、物性，以及可能的潜在应用；*后总结白碳研究的*新进展和成果，以及有待解决的关键科学技术问题，并指出了这一新兴研究领域的未来发展方向。
　　参 考 文 献
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