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碳納米錐的神秘形狀：為何它們的角度只有幾種特定值？
碳納米錐是一種主要由碳組成的圓錐形結構，其至少有一個尺寸約為微米級或更小。這種形狀的特徵是，其高度和底部直徑相當，這使得它們與長得多的尖頭納米線有所區別。碳納米錐常見於天然石墨的表面，也可以透過用等離子體火炬分解碳氫化合物來合成空心碳納米錐。
電子顯微鏡觀察顯示，這些圓錐的開口角（頂角）並不是隨意的，而是有特定的偏好值，分別是約19度、39度、60度、85度和113度。
這一觀察結果可以用由包裹的石墨烯薄片所組成的圓錐外壁模型來解釋。在這種模型下，為了無應變、無縫地包裹，必須從薄片中切去一個扇形，這個扇形的角度是n × 60度，其中n = 1, ..., 5。因此，得到的圓錐角度只能是特定的離散值。
經典歷史與合成過程
碳納米錐通常是通過一種工業方法進行合成，這種方法將碳氫化合物分解為碳和氫，並利用溫度超過2000 °C的等離子體火炬。這種方法往往稱為Kvaerner Carbon Black & Hydrogen Process (CBH)，並且相對於其他製程來說，其排放較少，即產生的空氣污染物較少。
在優化和專利條件下，固體碳產出物的組成約為20%的碳納米錐、70%的平面碳圓盤和10%的碳黑。
近年來，經過優化的等離子體輔助分解法不僅能產生少量的碳納米錐，而且已於1994年時在電子顯微鏡下首次被觀察到，當年也對其原子結構進行了理論建模。
詳解模型與觀察
開口碳圓錐可以視為包裹的石墨烯薄片。為了保持應變最小，必須在薄片上切去一個扇形的部分。這個部分的角度應為n × 60度，而得到的圓錐角度只會有幾個離散值。這種現象進一步得到電子顯微鏡的觀察確認，雖然測試中會有一些實驗誤差，比如在電子束下碳樣品的充電問題，以及固定樣品傾角所帶來的三維形狀的偏差影響。
對於這些圓錐的結構，電子衍射模式在不同的圓錐方向進行記錄分析，表明其壁內含有約10%至30%的有序材料，並覆蓋著非晶碳。
通過高分辨率電子顯微鏡觀察，我們發現有序相的材料主要是幾乎平行的石墨烯層，而非晶相則可以透過在接近2700 °C的溫度下退火，轉換為良好有序的石墨。
自然界與應用
在1968年及更早之前，科學家已在天然石墨表面觀察到碳圓錐。這些圓錐的底部連接在石墨上，其高度在1微米到40微米之間，且其壁通常呈現較不規則的曲線，與實驗室製作的納米錐有所不同。這表明自然界中的結構會產生更廣泛的角度分佈，可能主要是由於壁結構的多樣性所引起的。
碳納米錐具備傑出的化學穩定性和電導性，廣泛應用在掃描探針顯微鏡中，用於保護超細金針的尖端。
因此，透過薄碳帽來穩定其尖端，不僅不會損失其優越性，且能使其具備更好的機械穩定性，顯示出碳納米錐在各種科技領域的潛力。
然而，這些碳納米錐的具體結構與特定的角度分佈是否會引領進一步的科技突破呢?
