【干货】典型的晶体结构之原子晶体 08
材料的性能源于材料独特的晶体结构，理解晶体结构与材料性能之间的联系是材料科学研究的目的，更是材料科学基础的考查重点。碳材料因为具有丰富的结构，所以在工业和生活中广泛应用。小编为大家详细介绍了4中典型的碳材料，希望大家对它们有一个全面的了解，应对考试。
①金刚石
在晶体学中，金刚石结构又称为金刚石立方晶体结构(diamond cubic lattice structure)，原型是金刚石。金刚石结构中的每个原子与相邻的4个原子形成正四面体，故单胞内原子数为5。金刚石的自然界中最硬的物质。由于金刚石的硬度极高且导热性极高，用于沙纸、钻探、研磨工具之上，可以用来切削和刻画其他物质，以及大型集成电路等散热板上
图一 金刚石结构动图
②石墨
石墨（Graphite），又称黑铅（Black Lead），是碳的一种同素异形体（碳的其他同素异形体有很多，为人熟悉的例如钻石）。作为最软的矿物之一，石墨不透明且触感油腻，颜色由铁黑到钢铁灰不等，形状可呈晶体状、薄片状、鳞状、条纹状、层状体，或散布在变质岩（由煤、碳质岩石或碳质沉积物，受到区域变质作用或是岩浆侵入作用形成）之中。化学性质不活泼，具有耐腐蚀性。
石墨具有层状的平面结构，结构如图二所示。每层中碳原子都排列成蜂窝状晶体结构，层内原子间距0.142nm，层间距0.335nm。层内每个碳原子的周边以共价键连结著另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个六边形，每层间有微弱的范德华力。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。
用途：它的用途包括制造铅笔笔芯和润滑剂或集电弓上的碳刷条，也可作为压力管式石墨慢化沸水反应堆的中子减速剂。
目前主要用途是耐火材料的原材料，尤其是镁碳砖。自然界自然形成的石墨可分为鳞片石墨和土状石墨。
图二 石墨结构详解
图三 石墨正视图
图四 石墨俯视图
图五 石墨结构动图
③富勒烯
富勒烯是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。
1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即“C60分子”或“富勒烯”，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为“巴克明斯特·富勒烯”（巴基球）。
图六 富勒烯结构动图
④碳纳米管
（英语：Carbon Nanotube，缩写为CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产碳纤维的产物中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。
碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。
碳纳米管的分子结构决定了它具有一些独特的性质。由于巨大的长径比（径向尺寸在纳米量级，轴向尺寸在微米量级），碳纳米管表现为典型的一维量子材料，它的电子波函数在管的圆周方向具有周期性，在轴向则具有平移不变性，大大纯化了理论工作，并做出了一些预言。理论预言，碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻，且性质会随结构的变化而变化，可由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属；具有金属导电性的碳纳米管通过的磁通量是量子化的，表现出阿哈诺夫－波姆效应（A-B效应）。
图7 碳纳米管结构动图
思考题
范德华力和共价键有什么区别？请多找几个方面分析一下。(欢迎留言交流)
上期答案：
Q:标出图8六方晶系的晶向指数及晶面指数？
答案：