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自然界中的碳納米錐：為何它們的結構和實驗室製造的差異如此巨大？
碳納米錐是由碳組成的錐形結構，其至少有一個尺寸在一微米或更小的範圍內。這些納米錐的高度和底部直徑比例相當，這使它們與尖端納米線有所區別，後者的長度遠大於其直徑。自然界中，碳納米錐存在於自然石墨的表面，而實驗室可以通過分解碳氫化合物來產生空心碳納米錐，這一過程涉及使用等離子體火炬進行反應。
電子顯微鏡揭示了納米錐的開口角（尖端角度）並非隨意，而是有約19°, 39°, 60°, 85°和113°的優選值。
歷史及合成技術
碳納米錐的產生過程主要採用一種工業技術，這種技術能夠將碳氫化合物在氣體溫度超過2000 °C的情況下進行分解。這種方法通常被稱為Kvaerner碳黑與氫氣過程（CBH），其優勢在於相對「無排放」，即它所產生的空氣污染物相對較少。在特定的優化條件下，產出的固體碳大約由20%的碳納米錐、70%的平面碳圓片和10%的碳黑組成。
結構模型
開口碳納米錐可以被視為一層包裹的石墨烯片。為了實現無應變的無縫包裹，必須從石墨烯片中切割出一個特定的扇區。這個扇區的角度必須為n × 60°，其中n為1至5。因此，結果納米錐的角度只能擁有某些特定的離散值，例如112.9°、83.6°、60.0°、38.9°和19.2°。
這一發現不僅教授了我們關於碳納米錐結構的信息，還引發了有關這些微觀結構自然形成機制的許多問號。
觀察結果及挑戰
電子顯微鏡的觀察結果支持了這一結構模型的預測，但也存在一些實驗性瑕疵需要考慮，例如，碳樣本的導電性較差，可能會導致在電子束照射下的充電效應，進而模糊影像。此外，在固定樣本傾斜角度下進行的電子顯微鏡觀察只能提供二維投影，並無法正確呈現三維形狀。為了解決這些挑戰，研究者們透過金屬包覆以及幾何形狀分析等方法來克服這些困難。
結構特徵
電子衍射模式分析結果顯示，這些納米錐的牆厚度變化範圍在10至30納米之間，某些納米錐的厚度甚至可達80納米。當通過高解析度的電子顯微鏡進行觀察時，這些納米錐的有序相幾乎由平行的石墨烯層組成，並且可以通過2700 °C的退火過程將無序相轉換為良好有序的石墨。
自然界的碳納米錐
除了實驗室製造的納米錐，早在1968年，碳納米錐已經在自然生成的石墨表面被觀察到。與實驗室的納米錐相比，這些自然形成的納米錐高度變化大致在幾乎小於1微米到40微米之間，其牆的結構相對不規則，含有許多線缺陷，這使得它們的開口角分布較為廣泛。
這些自然生成的納米錐結構顯示出在形狀和斜角上的多樣性，挑戰了我們對於“理想”納米結構的理解。
潛在應用
碳納米錐在許多前沿科技中展現出巨大的潛在應用，例如它們被用來包覆超細金針，以提升其在掃描探針顯微鏡中的化學穩定性和電導率。這種碳包覆可以在不妥協金針其他性能的情況下，提升其機械穩定性。
碳納米錐的獨特形狀和結構，不僅引起了科學界的注意，更引領了新材料研發的探索。它們的自然形成與實驗室製造之間存在著怎樣的聯繫？這或許為未來的研究提供了新的思路？
