纳米石墨烯，纳米碳和纳米硼都是啥？

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邦妮和克莱德 发表于 2015-9-5 06:27
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谢谢你介绍这个网站，注册了。但我不敢发问，因为发现人家都是非常专业的，我先蛰伏一段时间学习学习先。

石墨烯部分电磁学性能成因我还不大了解。
但机械性能的微观原因方面，楼主想象得有较大偏差。

石墨烯 看名字就知道它是一种烯，氢原子就还是氢原子，没有被谁取代。是一种结构类似石墨的烯。
至于纳米两个字主要作用是提高逼格的，到了原子一级也不能用米来度量了吧？！

石墨烯 看名字就知道它是一种烯，氢原子就还是氢原子，没有被谁取代。是一种结构类似石墨的烯。
至于纳米 ...
你这胡说的可真顺口，连上网搜下都不肯做的。

这些新名词 能实用化的很少，巴基球很早就听说了，到现在还不知zuo用在y在哪里ong

@larry0211 ：
石墨烯部分电磁学性能成因我还不大了解。
但碳纳米管机械性能的微观原因方面，楼主想象得有较大偏差。

在开始聊聊之前，先说一下，原子之间的吸引，是靠成键电子对完成，我想这个你也知道。

可能也知道，化学键，若是处于能量较低的位置，那么改变化学键的位置，需要给予的能量就高，这个是旧量子论的能级说，很好理解。

    今天我要说的是楼主可能不知道的，就是量子力学中，对于这个现象的原因，其实是成键电子的能量本征波函数改变的结果。
如图，电子壳层示意图

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2015-9-8 21:14 上传

图中看到的圆形壳层，是电子运行的几率轨道，之所以叫几率轨道，是因为电子并不是呆在这个轨道上以转动的方式运行的，而是以波函数的形式跃迁着运行的。圆球形的壳层，表示的是电子处于几率轨道时的本征态，也就是坐标的平均值所在。
当电子处于本征态的时候，此时对应的量子数称之为“好量子数”，由于能量守恒，所以不输入能量的情况下，电子的量子数将持续处在好量子数；当输入能量后，电子能量改变，脱离本征态，材料中大量原子的成键电子脱离本征态的话，此时材料从宏观上体现出弹性变形。

除了这个之外，能量本征波函数体现出不同的分立能级，每个能级都对应一个本征态。当输入或放出能量，本征态就改变。
另由于库仑力与电荷乘积成正比，与距离平方成反比。所以有一些材料，其成键电子改变本征态时，总的可变化的级数少，但是每一级间隔对应的能量值却比较高；而有一些材料其成键电子改变本征态时，总的可变化的级数多，但是每一级间隔对应的能量值却比较低。对于前者，我们称之为“能量本征层薄”，对于后者我们称之为“能量本征层厚”。前者一般是轻的非金属元素，后者一般是重的金属元素。这就有点像天体的情况，最为巨大的恒星，在远离其的地方，引力场尽管不强，而一些不大的恒星，在其近处引力场强度却很强，但前者的引力场影响范围远大于后者。

就好像这样的两种阶梯梯：

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2015-9-8 21:24 上传

如果成键电子，又都是当某个固定比例的原子数量达到成键电子从第一级开始爬，都是爬到第三级，材料就塑性变形或者熔化，那么可见，左边的那种，强度和熔点就高，但是完全破坏需要的总能量并不高。而右边的那种强度和熔点就低，但是完全破坏需要的总能量确比左边的要多。

而晶体结构不是主要原因。微观受力的方向会影响弹性模量，但是主要的原因是，在成键电子都会以当前温度下允许的最稳定状态，填充半空的能量本征波函数，而微观晶体布局，是由此决定的。所以，碳纳米管强度如此之高，并不是因为原子之间呈现了一个怎样坚固的受力结构，而是其大部分的键，都是处在能级差很大的能量本征波函数里。

@larry0211 ：
石墨烯部分电磁学性能成因我还不大了解。
但碳纳米管机械性能的微观原因方面，楼主想象得有较大偏差。

在开始聊聊之前，先说一下，原子之间的吸引，是靠成键电子对完成，我想这个你也知道。

可能也知道，化学键，若是处于能量较低的位置，那么改变化学键的位置，需要给予的能量就高，这个是旧量子论的能级说，很好理解。

    今天我要说的是楼主可能不知道的，就是量子力学中，对于这个现象的原因，其实是成键电子的能量本征波函数改变的结果。
如图，电子壳层示意图

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2015-9-8 21:14 上传

图中看到的圆形壳层，是电子运行的几率轨道，之所以叫几率轨道，是因为电子并不是呆在这个轨道上以转动的方式运行的，而是以波函数的形式跃迁着运行的。圆球形的壳层，表示的是电子处于几率轨道时的本征态，也就是坐标的平均值所在。
当电子处于本征态的时候，此时对应的量子数称之为“好量子数”，由于能量守恒，所以不输入能量的情况下，电子的量子数将持续处在好量子数；当输入能量后，电子能量改变，脱离本征态，材料中大量原子的成键电子脱离本征态的话，此时材料从宏观上体现出弹性变形。

除了这个之外，能量本征波函数体现出不同的分立能级，每个能级都对应一个本征态。当输入或放出能量，本征态就改变。
另由于库仑力与电荷乘积成正比，与距离平方成反比。所以有一些材料，其成键电子改变本征态时，总的可变化的级数少，但是每一级间隔对应的能量值却比较高；而有一些材料其成键电子改变本征态时，总的可变化的级数多，但是每一级间隔对应的能量值却比较低。对于前者，我们称之为“能量本征层薄”，对于后者我们称之为“能量本征层厚”。前者一般是轻的非金属元素，后者一般是重的金属元素。这就有点像天体的情况，最为巨大的恒星，在远离其的地方，引力场尽管不强，而一些不大的恒星，在其近处引力场强度却很强，但前者的引力场影响范围远大于后者。

就好像这样的两种阶梯梯：

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2015-9-8 21:24 上传

如果成键电子，又都是当某个固定比例的原子数量达到成键电子从第一级开始爬，都是爬到第三级，材料就塑性变形或者熔化，那么可见，左边的那种，强度和熔点就高，但是完全破坏需要的总能量并不高。而右边的那种强度和熔点就低，但是完全破坏需要的总能量确比左边的要多。

而晶体结构不是主要原因。微观受力的方向会影响弹性模量，但是主要的原因是，在成键电子都会以当前温度下允许的最稳定状态，填充半空的能量本征波函数，而微观晶体布局，是由此决定的。所以，碳纳米管强度如此之高，并不是因为原子之间呈现了一个怎样坚固的受力结构，而是其大部分的键，都是处在能级差很大的能量本征波函数里。

楼主几个词就没用对。首先，没有纳米石墨烯，纳米某某可以的，石墨烯不能叫纳米的。石墨烯就是单层或者少层石墨，而不是什么管。最早的石墨烯就是用胶带从石墨上一层层剥离下来的。纳米硼纤维就更不知所谓了，如果你说的是类石墨烯二维结构，那么一般是指氮化硼，二维单层膜。

猎杀m1a2 发表于 2015-9-8 21:26
@larry0211 ：
石墨烯部分电磁学性能成因我还不大了解。
但碳纳米管机械性能的微观原因方面，楼主想象得 ...
说的真好，详细

邦妮和克莱德 发表于 2015-9-5 06:27
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石墨和石墨烯应该结构相同

larry0211 发表于 2015-9-5 10:26
谢谢你介绍这个网站，注册了。但我不敢发问，因为发现人家都是非常专业的，我先蛰伏一段时间学习学习先。
只是石墨是层状的重叠吧

猎杀m1a2 发表于 2015-9-5 12:11
石墨烯部分电磁学性能成因我还不大了解。
但机械性能的微观原因方面，楼主想象得有较大偏差。
石墨烯是形成了卷曲的管状结构吧

李天佐 发表于 2015-9-5 13:17
石墨烯 看名字就知道它是一种烯，氢原子就还是氢原子，没有被谁取代。是一种结构类似石墨的烯。
至于纳米 ...
石墨烯只是单层或者双层的？

bothofus 发表于 2015-9-8 22:24
楼主几个词就没用对。首先，没有纳米石墨烯，纳米某某可以的，石墨烯不能叫纳米的。石墨烯就是单层或者少层 ...
把这些纤维再象织布一样撮合起来。。是不是？

把这些纤维再象织布一样撮合起来。。是不是？
真正要应用，一开始就是薄膜才行，没法把几块连起来。

猎杀m1a2 发表于 2015-9-8 21:26
@larry0211 ：
石墨烯部分电磁学性能成因我还不大了解。
但碳纳米管机械性能的微观原因方面，楼主想象得 ...
嗯，你是不是想说我们过去学的轨道理论，也就是1s2s2p3s3p4s3d4p等等的这套理论已经受到了挑战？

我是在想一个问题，特别是硼的分子结构，我觉得如果不告诉你大自然中硼分子到底是什么结构，光凭你用那套轨道理论，你能推导得出硼分子是长成这样的吗？

larry0211 发表于 2015-9-15 23:38
嗯，你是不是想说我们过去学的轨道理论，也就是1s2s2p3s3p4s3d4p等等的这套理论已经受到了挑战？

我是 ...
硼外层电子数3，需要5个硼原子形成公用电子对达到8电子稳定结构。也就是说：硼晶体中，一个硼原子与其他5个硼原子相连。

————————————————————

顺带说下：

纳米，是长度单位，大致相当于十几个、几十个分子或百个原子直径。材料在这种尺寸下，常表现出异于宏观尺寸的“优异”特性。因此，常听说的纳米某某，指的是某某的尺寸以纳米为单位，附带各种"高大上"的性能——至少宣传上。

石墨，sp2杂化，与相邻三个碳原子以σ键结合形成正六边形的蜂窝壮平面结构。剩余的一个2p电子在P轨道上形成大π键，这些电子是可自由移动的，因此石墨表现出导电、导热性。这是石墨 “单层碳原子” 平面结构，如果能获得，那就是石墨烯。这些单层平面层层相叠，层间以范德华力结合形成石墨晶体——如叠起来的纸张，从侧面，很容易推开或掀起。

石墨烯，上面说过，石墨 “单层碳原子” 平面结构，很薄——一个原子厚度。

   非也，你学的这个是大学物理的课程，对于轨道是个概论性的描述。没有描述轨道的所有特性，也没有讲成因。
    轨道指的是几率轨道，不是指像行星环绕恒星那样的位移轨道。轨道形状表示的是这个电子的能量本征波函数对应的坐标本征态。
     还有一个呢，就是不同元素，同样标注的轨道并不能划等号，A元素的3d轨道上的电子，和b元素同在3d轨道上的电子，能量本征波函数很可能是不同的，相同的几率反而很小。

larry0211 发表于 2015-9-15 23:38
嗯，你是不是想说我们过去学的轨道理论，也就是1s2s2p3s3p4s3d4p等等的这套理论已经受到了挑战？

我是 ...

   非也，你学的这个是大学物理的课程，对于轨道是个概论性的描述。没有描述轨道的所有特性，也没有讲成因。
    轨道指的是几率轨道，不是指像行星环绕恒星那样的位移轨道。轨道形状表示的是这个电子的能量本征波函数对应的坐标本征态。
     还有一个呢，就是不同元素，同样标注的轨道并不能划等号，A元素的3d轨道上的电子，和b元素同在3d轨道上的电子，能量本征波函数很可能是不同的，相同的几率反而很小。

    微观晶体结构，分子结构，实际上是取决于所有成键轨道的所有参数，直白的说，就是取决于轨道形状和尺寸。当然，要加入前提条件：温度。
    意思就是，不是晶格或分子“长成啥样”决定了成键电子的轨道，而是成键电子的轨道“长成啥样”决定了分子或晶格“长成啥样”。你因果倒置了，以果为因了。

larry0211 发表于 2015-9-15 23:38
嗯，你是不是想说我们过去学的轨道理论，也就是1s2s2p3s3p4s3d4p等等的这套理论已经受到了挑战？

我是 ...

    微观晶体结构，分子结构，实际上是取决于所有成键轨道的所有参数，直白的说，就是取决于轨道形状和尺寸。当然，要加入前提条件：温度。
    意思就是，不是晶格或分子“长成啥样”决定了成键电子的轨道，而是成键电子的轨道“长成啥样”决定了分子或晶格“长成啥样”。你因果倒置了，以果为因了。

猎杀m1a2 发表于 2015-9-16 09:55
微观晶体结构，分子结构，实际上是取决于所有成键轨道的所有参数，直白的说，就是取决于轨道形状和 ...
再加个条件：压力。

"还有一个呢，就是不同元素，同样标注的轨道并不能划等号，A元素的3d轨道上的电子，和b元素同在3d轨道上的电子，能量本征波函数很可能是不同的，相同的几率反而很小。"——好像不太对。

再加个条件：压力。

"还有一个呢，就是不同元素，同样标注的轨道并不能划等号，A元素的3d轨道上的电子 ...
对，我漏说了，还有压力。

后面哪个，请问是哪不对？

猎杀m1a2 发表于 2015-9-16 11:04
对，我漏说了，还有压力。

后面哪个，请问是哪不对？
嗯，我记忆可能不太准确，若不正确请指证。
同位素的电子能级略有差异，但不确定：A元素的同位素在某轨道上的电子，和B元素或其同位素同在某轨道上的电子能量相同。

嗯，我记忆可能不太准确，若不正确请指证。
同位素的电子能级略有差异，但不确定：A元素的同位素在某轨 ...
      不同的，不止是同位素由于相对论效应，有此差异，不同元素同一标号的轨道，电子对应的能量本征波函数一般都不同的，有相同的反而是极少情况。
       因为能量本征波函数，由两个部分组成，一个是电子围绕原子核转动，另一部分是势函数。两个部分共同决定能量本征波函数的值，同样的，也决定了本征态的坐标。不同元素，核电荷数不同，毫无疑问的，势函数的值也就不同。

嗯，我记忆可能不太准确，若不正确请指证。
同位素的电子能级略有差异，但不确定：A元素的同位素在某轨 ...
不但能量一般不同，坐标一般也不同。这就导致了不同元素同一个标号的几率轨道，一般的轨道参数是不同的。

为什么化学键的形状会很奇怪，圆的椭圆的八角形哑铃形这些看起来完全不符合常识，这是不能用能级说来解释的。

时光沙漏 发表于 2015-9-16 09:45
硼外层电子数3，需要5个硼原子形成公用电子对达到8电子稳定结构。也就是说：硼晶体中，一个硼原子与其他5 ...
回答得很好，谢谢指点！

纳米的问题和我想的一样。这里我冒昧的再请教一个愚蠢的问题，会不会形成石墨炔？
事实上乙炔的化学性质比乙烯更不活泼，因为形成了两个大派键，键长更短了。那么会不会形成一根一维的石墨炔呢？理论上貌似可以，而且强度好大，导电性更强。

关于硼的结构，你的回答非常给力，但如果用传统的杂化轨道去理解，那就变成了sp4杂化了，这个嘛，至少化学老师抓狂了，能p4吗？另外看资料貌似硼分子非常复杂，B12主体外还有层和层间的链接。

我摘录了以下的一段文章：
在硼的二十面体结构单元中，B12的36个电子是如下分配的：在二十面体内有13个分子轨道，用去26个电子；每个二十面体同上下相邻的6个二十面体形成6个两中心两电子共价键，用去了6个电子；在二十面体腰部的6个B原子与同平面上周围相邻的6个三中心两电子键，用去了6×2/3=4个电子。结果总电子数是6+6+4=36,所有的电子都已用于形成复杂的多面体结构。

但我仔细算了一下觉得不正确，“在二十面体内有13个分子轨道？” 你仔细算一下就发现不对的，B12的形成需要30个分子轨道。因为有30个边。我无法理解为啥被认为是13个分子轨道？

我为啥会问这个问题呢？其实不是本末倒置，而是我认为即使是用能量本征波函数，你从理论上能推演出硼晶体这么复杂的的结构吗？ 我认为其实是我们看到了这样的结构再去倒推它可能的能量本征波函数吧？你能根据纯粹的量子函数的数学理论，推导出A元素的3d轨道上的电子和b元素的3d轨道上的电子，他们本来应该有的能量本征波函数吗？本预言他们的差别吗？

如果真的能实现，那么所有的化学实验根本不需要做，理论上就能算出来，他们可能的化学反应和化学性质。

最后我为啥会对硼感兴趣呢？因为硼晶体是仅次于金刚石的晶体，氮化硼能产生比金刚石还硬的晶体结构，所以，我在想既然有石墨烯，总有一天纳米氮化硼也会成为很时尚的研究对象。

猎杀m1a2 发表于 2015-9-16 15:09
为什么化学键的形状会很奇怪，圆的椭圆的八角形哑铃形这些看起来完全不符合常识，这是不能用能级说来解释的 ...
请看看我楼上的回答，也希望你能参与讨论，谢谢！

事实上你说的应该是这样的是吧，那些奇形怪状的化学键，八角的哑铃的其实只是波函数计算出来的一个函数表达式，一种几率分布，而且每个元素以及他们的同位素的波函数表达应该都是不同的，这个是能理解的。因为元素的原子半径并不是一直增大而是周期性的缩小后再膨胀的，当然每个元素的波函数轨道能量是不同的。电子总是希望到能量低的轨道上运行，所以就进入了能量低的空轨道，但一旦进入了空轨道后又会影响这个轨道的能级，形成壁垒。而原本低能级的比如s轨道是不会轻易的放弃自己的优势能级的，只有当高温高压的条件下把低能级的轨道电子的能量也提高了，搞了一个大革命，财产（能级）重新分配，同时又限制了它们的活动范围，迫使分子形成更平均的分配，才能形成更坚固的分子结构。

请看看我楼上的回答，也希望你能参与讨论，谢谢！

事实上你说的应该是这样的是吧，那些奇形怪状的化学 ...
     这里连着上一楼的一起解答：
    1晶格，分子内各电荷的电场是相互叠加的，所以你推测的没错，算某个成键电子对的本征波函数，不能只在单原子或一对原子的情况下算，要将整个晶格，分子作为一个整体算。一是算出合成后的势函数，二是算出全同费米子反对称的矩阵。然后才能逐个计算出成键电子对的本征态，最后才能画出轨道。
     2，基于第一点，也可知晶格，分子内的成键电子对未必是两个两个原子共有，也存在很多情况是存在一些成键电子对为晶格，分子内所有原子所共有的情况。
     3，化学实验还是要做的，一个是任何理论计算都需要用实验最后验证，另一个是尽管已经不断证实本征波函数就是晶格，分子结构形成的原因，但不是所有的都能有能力计算的。对于单一元素组成的晶格，结合相对论效应，用波动力学和矩阵力学都可以计算晶格结构——前者计算量巨大已经非得用计算机不可，后者计算量虽小但是用手算列式的篇幅很大，随便做个计算都是“一本草稿纸”级别。而不同元素形成的多原子晶格，分子，已经要用到“宇宙中最宏伟的数学定理”——群论。即使这样，很多太复杂的晶格，分子还是没法计算的。
      4，尽管困难很多，但是计算的积极意义还是很大的，像半导体目前这么多种多样，就是在量子力学理论指导下用计算指明了方向，然后再用实验去证实或者证伪。否则，108个元素，无数种搭配方式，如何能试出想要的半导体？

请看看我楼上的回答，也希望你能参与讨论，谢谢！

事实上你说的应该是这样的是吧，那些奇形怪状的化学 ...
      前面用单原子举例是出于方便，要补充说下你推测没错，实际的晶格，分子，哪怕大量晶格，分子组成的宏观物质，都不再是将单原子的成键电子本征波函数套合就可以的，晶格和分子内所有电子，原子核，要作为一个整体，去考量本征波函数，甚至晶格之间，分子之间，都会相互影响一些电子的本征波函数。

     另外要略微解释下几个名词,为了便于理解起见，仅以单原子情况为例：
     本征波函数：含势函数的波函数按照泰勒多项式展开后，呈现一个离散的解集。
      能量本征波函数：本征波函数与能量厄米算符的乘积，也是离散的解集，其实化学资料中常见的轨道能级，就是这个解集，其对应的展开项系数，就是主量子数的序号。
      本征态：本征波函数的坐标平均值。

larry0211 发表于 2015-9-16 23:27
请看看我楼上的回答，也希望你能参与讨论，谢谢！

事实上你说的应该是这样的是吧，那些奇形怪状的化学 ...

     另外要略微解释下几个名词,为了便于理解起见，仅以单原子情况为例：
     本征波函数：含势函数的波函数按照泰勒多项式展开后，呈现一个离散的解集。
      能量本征波函数：本征波函数与能量厄米算符的乘积，也是离散的解集，其实化学资料中常见的轨道能级，就是这个解集，其对应的展开项系数，就是主量子数的序号。
      本征态：本征波函数的坐标平均值。

猎杀m1a2 发表于 2015-9-17 10:20
另外要略微解释下几个名词,为了便于理解起见，仅以单原子情况为例：
     本征波函数：含势函数 ...
哦，看不懂了。厄米算符，好吧，学了一个新名词。

不过我确实翻阅过半导体材质方面的书籍。说得没错，要找出先进的材料简直大海捞针，用波函数量子力学去指导寻找确实让数学大显身手了。所以理论还是非常有用的。

larry0211 发表于 2015-9-17 23:22
哦，看不懂了。厄米算符，好吧，学了一个新名词。

不过我确实翻阅过半导体材质方面的书籍。说得没错， ...
对。

  不过还是要说一下，科研还是要靠一些直觉的，毕竟不可能真正完全靠解算研制出新材料，很多时候，都是在天然物质分析基础上，用量子力学去构思新材料。

紧密耦合。

石墨烯分子是一层原子的网状结构，

碳纤维是多层，中间都是电磁力，也就是通常说的化学键，

石墨烯分子是一层原子的网状结构，

碳纤维是多层，中间都是电磁力，也就是通常说的化学键，

石墨烯是一种非晶态材料，而碳纤微是晶态的，这就是本质区别

链接石墨的层的是范德华力，这个比化学键的能量小多了

larry0211 发表于 2015-9-16 23:03
回答得很好，谢谢指点！

纳米的问题和我想的一样。这里我冒昧的再请教一个愚蠢的问题，会不会形成石墨 ...
我看量子力学基础时，高等数学还没上几节课——基本属于七窍通了六窍的水平。

如果用传统的杂化轨道去推导 硼的二十面体结构，乙硼烷是很好的参考；同样的，理解金刚石、石墨的结构，分别参考甲烷、乙烯和苯。

链接石墨的层的是范德华力，这个比化学键的能量小多了
其实该说是“比化学键能量大多了”，根据不确定性关系，能量越大越不稳定。