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碳纳米锥的神秘形状：为何它们的角度只有几种特定值？
碳纳米锥是一种主要由碳组成的圆锥形结构，其至少有一个尺寸约为微米级或更小。这种形状的特征是，其高度和底部直径相当，这使得它们与长得多的尖头纳米线有所区别。碳纳米锥常见于天然石墨的表面，也可以透过用等离子体火炬分解碳氢化合物来合成空心碳纳米锥。
电子显微镜观察显示，这些圆锥的开口角（顶角）并不是随意的，而是有特定的偏好值，分别是约19度、39度、60度、85度和113度。
这一观察结果可以用由包裹的石墨烯薄片所组成的圆锥外壁模型来解释。在这种模型下，为了无应变、无缝地包裹，必须从薄片中切去一个扇形，这个扇形的角度是n × 60度，其中n = 1, ..., 5。因此，得到的圆锥角度只能是特定的离散值。
经典历史与合成过程
碳纳米锥通常是通过一种工业方法进行合成，这种方法将碳氢化合物分解为碳和氢，并利用温度超过2000 °C的等离子体火炬。这种方法往往称为Kvaerner Carbon Black & Hydrogen Process (CBH)，并且相对于其他制程来说，其排放较少，即产生的空气污染物较少。
在优化和专利条件下，固体碳产出物的组成约为20%的碳纳米锥、70%的平面碳圆盘和10%的碳黑。
近年来，经过优化的等离子体辅助分解法不仅能产生少量的碳纳米锥，而且已于1994年时在电子显微镜下首次被观察到，当年也对其原子结构进行了理论建模。
详解模型与观察
开口碳圆锥可以视为包裹的石墨烯薄片。为了保持应变最小，必须在薄片上切去一个扇形的部分。这个部分的角度应为n × 60度，而得到的圆锥角度只会有几个离散值。这种现象进一步得到电子显微镜的观察确认，虽然测试中会有一些实验误差，比如在电子束下碳样品的充电问题，以及固定样品倾角所带来的三维形状的偏差影响。
对于这些圆锥的结构，电子衍射模式在不同的圆锥方向进行记录分析，表明其壁内含有约10%至30%的有序材料，并覆盖着非晶碳。
通过高分辨率电子显微镜观察，我们发现有序相的材料主要是几乎平行的石墨烯层，而非晶相则可以透过在接近2700 °C的温度下退火，转换为良好有序的石墨。
自然界与应用
在1968年及更早之前，科学家已在天然石墨表面观察到碳圆锥。这些圆锥的底部连接在石墨上，其高度在1微米到40微米之间，且其壁通常呈现较不规则的曲线，与实验室制作的纳米锥有所不同。这表明自然界中的结构会产生更广泛的角度分布，可能主要是由于壁结构的多样性所引起的。
碳纳米锥具备杰出的化学稳定性和电导性，广泛应用在扫描探针显微镜中，用于保护超细金针的尖端。
因此，透过薄碳帽来稳定其尖端，不仅不会损失其优越性，且能使其具备更好的机械稳定性，显示出碳纳米锥在各种科技领域的潜力。
然而，这些碳纳米锥的具体结构与特定的角度分布是否会引领进一步的科技突破呢?
