A Concise Review of Recently Synthesized 2D Carbon Allotropes: Amorphous Carbon, Graphynes, Biphenylene and Fullerene Networks
本文通过分析其结构、合成方法以及理论预测与实验发现之间的相互作用，对近期实验实现的二维碳同素异形体（包括石墨炔、联苯并二苯并环戊二烯网络、富勒烯网络和非晶碳）进行了简明综述，并强调了未来研究的空白。
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碳是物质世界中终极的变形者。它是构建生命骨架的元素，同时也构成了地球上最硬的物质和最软的铅笔芯。这种多功能性源于碳能够以不同的模式进行自我连接，从而创造出被称为“同素异形体”的不同形态。几十年来，科学家们一直在研究这些形态，从空心的足球形状分子到长条状的管状结构。其中最著名的便是石墨烯，它是由单层碳原子排列成的完美蜂窝状结构。自发现以来，石墨烯因其惊人的强度、柔韧性和导电性而备受赞誉，使其成为未来电子技术的明星候选材料。然而，它有一个显著的局限性：它的导电性太好，以至于无法轻易关闭，这对于制造驱动计算机和手机的开关及逻辑门来说是一个问题。
这一局限性促使研究人员开始将目光投向完美的蜂窝结构之外。他们开始探索以其他方式排列碳原子以形成二维平面的方法。通过改变连接模式，科学家可以创造出既拥有石墨烯般的强度，又具备“可切换”特性的材料，使其能够作为半导体发挥作用。这项探索已从纯粹的理论构想转向了实际的实验室创造。一篇新的综述论文汇集了该领域的最新成就，重点介绍了几种最近合成的碳片，它们不仅是石墨烯的变体，更是具有独特个性的全新结构。这些材料涵盖了从完全无序的网络到带有孔洞的高度有序晶格的广泛范围，为未来技术提供了一个多样化的工具库。
综述首先检查了一种挑战了“有序是强度必要条件”这一常规预期的材料：单层非晶碳。与石墨烯整齐、重复的蜂窝结构不同，这种材料是排列方式混乱、无序的单层碳原子。尽管缺乏晶体图案，研究人员发现它依然保持着卓越的稳定性和强度。当科学家利用激光辅助化学过程在相对较低的温度下制造这种材料时，他们发现它形成了一种连续、无皱褶的薄膜，且一年多时间内都不会降解。虽然它不像石墨烯那样坚硬，但其韧性足以承受显著的拉伸。至关重要的是，这种无序性赋予了它一个微小的电子能带隙，这是石墨烯所缺乏的特征，这使得它成为需要控制电流流动的光电器件的理想候选材料。
从混沌走向有序，论文探讨了一类被称为“石墨炔”（graphynes）的材料。这些材料并非随机排列，而是通过在蜂窝结构的环之间插入碳原子链来构建的。想象一下，拿一个标准的蜂窝结构，用短的线性桥梁替换掉六边形之间的一些直接连接。这创造出了一种天然具有多孔性的薄片，充满了微小的孔洞。研究人员已成功合成了几种版本的这种材料，包括使用双原子链的石化炔（graphdiyne），以及更复杂的具有更长链的形式。这些材料不仅仅是理论上的好奇物，它们已能在铜表面通过特定的化学反应生长出来。由此产生的薄片被预测具有优异的电学性能，并由于其内置的多孔性，可用于气体过滤或储能。
另一项重大发现涉及联苯（biphenylene）基网络。这些结构由一个看起来像两个六边形通过一个四边形环连接的重复单元组成，创造出一种由四元、六元和八元环组成的图案。这种排列在化学上是稳定的，并已在金表面通过将聚合物链连接在一起的过程进行了合成。这种材料特别引人注目的地方在于其改变电学性质的能力。在片状形式下，它表现得像金属；但当被切割成窄条或经过修饰后，它可以作为半导体发挥作用。这种灵活性结合其机械强度和规则分布的孔隙，表明它可能在气体分离或先进传感器领域发挥作用。一种相关的材料——石墨烯炔（graphenylene），具有更大的孔径，并已由简单的有机分子合成，在过滤水和储存氢气方面展现出前景。
综述讨论的最后前沿涉及由富勒烯分子构成的二维网络。富勒烯是常被比作足球的空心笼状碳分子。多年来，科学家们知道可以将这些笼状结构连接成三维固体，但要创造出一种平坦的单层薄片却是一项重大挑战。在最近报道的一项突破中，研究人员成功剥离了一个体块晶体，从而显露出一层由这些连接的笼状结构组成的单层。这种材料可以存在于不同的几何相中，表现出半导体特性并具有独特的光学性质。它已被测试作为将水分解为氢气和氧气的催化剂，这是实现清洁能源的关键过程。此外，科学家还找到了在这些薄片中制造纳米孔的方法，将其转化为允许有机溶剂以极快速度通过的膜。
综述总结道，尽管这些材料代表了巨大的飞跃，但旅程远未结束。在不产生缺陷的情况下大规模合成这些薄片仍然是一项艰巨的任务，且它们在现实世界设备中的长期稳定性仍在测试中。然而，事实证明，从无序的非晶碳到精确的富勒烯网络，这些多样化的结构能够成功在实验室中创造出来，这证明了碳材料的版图正在迅速扩张。这些新的同素异形体为科学家设计下一代电子、能源和传感技术提供了丰富的实验场，使其能够远远超越原始石墨烯的局限性。
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