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基于石墨烯的多维度材料构筑及其性能研究 摘要 。 关键词 ；；； Graphene Based Multi-dimensional Structures and Their Properties Abstract Graphene is a single layer of carbon arranged in a honeycomb (hexagonal) lattice. The unique single layer structure endows this material with a series of extraordinary physicochemical properties which have been demonstrated promising applications in energy, environmental and biomedical sciences. Controllable production and assembly of graphene is critical to the practical applications. This review focuses on the assembly behavior of graphene from the colloid chemistry and interface engineering point of view. Graphene based multi-dimensional assemblies, from 0D graphene based nanoparticles and 1D fibers to macro flexible 2D films and 3D monoliths, have been summarized in this review. Subsequently, the possibility of creating more novel graphene assemblies has also been discussed. Keywords graphene; self-assembly; multi-dimensional; applications 1 引言 20世纪80年代，随着纳米技术的飞速发展，多种碳纳米新材料应运而生，“碳”这一古老而又富有活力的元素再次焕发出无穷的潜力。1985年，来自英国和美国的三位科学家率先报道了由60个碳原子构成的类似足球形状的碳纳米结构—C60（称为足球烯或者富勒烯）[1]。随后，研究者们又陆续发现了C70，C80等一系列类富勒烯结构的大分子。零维富勒烯的发现丰富了碳材料家族。Curl、Kroto和Smalley三位发现者也因此于1996年荣获诺贝尔化学奖。1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家饭岛澄男（Sumio Iijima）在高分辨透射电子显微镜下观察电弧放电样品时，意外发现多层管状的碳分子结构的存在，即后来为大家所广泛熟知的碳纳米管（Carbon nanotubes）[2]。一维碳纳米管的发现引发了人们前所未有的兴趣，同时给纳米材料的研究和技术领域研究注入了新活力。2004年，来自英国曼彻斯特大学的科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov首次报道了单层石墨烯（graphene）的存在，从此掀开了石墨烯研究的序幕[3]。两位发现者因在二维空间材料石墨烯（graphene）方面的杰出贡献荣获2010年诺贝尔物理学奖。至此，碳材料家族中的零维（0D）富勒烯、一维（1D）碳纳米管、二维（2D）石墨烯，加上此前早为人们所熟知的宏观碳晶体材料-三维（3D）金刚石和石墨，所有已知维度上具有晶体结构的碳材料均已被人们所认识和发现[4]。 石墨烯是sp2杂化连接的单原子碳层构成的二维原子晶体[5]，其基本结构单元可以看做是有机化合物中稳定的苯六元环结构[6]。石墨烯晶体结构中，六边形密堆积的相邻碳原子之间的距离约为0.142 nm[3]。构成石墨烯的碳原子之间以sp2杂化的方式连接在一起使整个石墨烯片层形成离域的大π键。这种特殊的结构使得π电子可以在石墨烯内部自由移动，因而赋予其优异的导电性。从结构形态上来看石墨烯可以看做是富勒烯、碳纳米管以及石墨等碳材料的基本组成单元。石墨烯片层通过包裹成球可以得到零维的富勒烯，片层绕着固定轴卷曲可以形成类似碳纳米管的空腔管状结构，无数层石墨烯片堆叠在一起就形成了大家所熟知的石墨片结构[7]。 Geim等人提出各种碳纳米材料之间不同结构相互转化的可能性[7]。直到2009年，材料研究者们才从实验结果中观察到了单原子片层向富勒烯和碳纳米管等结构的转化。新加坡国立大学