淺談大學(xué)物理中的譜學(xué)教學(xué)

盧寧 郭宏艷

【摘要】目前的教材中，主要以一些傳統(tǒng)材料為例，來闡述一般的譜學(xué)研究方法的原理。考慮到目前材料的發(fā)展日新月異，適當(dāng)增加一些前沿新的材料為例，對于教學(xué)也有重要的意義。本文簡要闡述核磁共振譜對新型的二維納米材料石墨烯氧化物的結(jié)構(gòu)研究的研究進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】光譜 ?核磁共振譜 ?石墨烯氧化物

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）05-0159-01

在大學(xué)物理中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了各種譜學(xué)研究方法，包括掃描隧道顯微譜、 紅外光譜、拉曼譜、光吸收譜、核磁共振、X射線光電子能譜等。這些方法對我們研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。而目前的教材中，主要以一些傳統(tǒng)的材料為例，來闡述這些方法的原理及應(yīng)用。但是考慮到目前材料的發(fā)展日新月異，適當(dāng)?shù)脑黾右恍┣把匦碌牟牧蠟槔?，對于教學(xué)也有重要的意義。

這里我們將以新型的二維納米材料石墨烯氧化物為例，通過實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的核磁共振譜對其的結(jié)構(gòu)研究，簡要的介紹光譜學(xué)方法對其結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。

作為二維納米材料的代表，石墨烯，即單層石墨，展示了許多獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)，其電子是無質(zhì)量的相對論性Dirac費(fèi)米子，因此其速度與能量無關(guān)（約為光速的1/300），具有很高的載流子遷移率[1]。此外，石墨烯在室溫下即可觀察到量子霍爾效應(yīng)[2]。這些獨(dú)特的性質(zhì)使石墨烯不僅在理論上是重要的原型體系，在應(yīng)用上也有很大的潛力，并已經(jīng)得到了廣泛的研究，對石墨烯的研究具有重大貢獻(xiàn)的英國曼徹斯特兩位教授Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 也獲得了2010年的諾貝爾獎。石墨烯的大規(guī)模制備制約了其進(jìn)一步應(yīng)用，利用還原石墨烯氧化物為大規(guī)模制備石墨烯提供了可行的途徑[3]。石墨烯氧化物的制備方法簡單，通過強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑來氧化石墨即可制得。石墨層的間距是3.6埃，氧化過后，石墨烯氧化物的層間距可以到7-10埃，從而很容易讓層與層間脫離。進(jìn)而通過還原的方式來制備石墨烯。

但一直以來實(shí)驗(yàn)上關(guān)于石墨烯氧化物的結(jié)構(gòu)存在一定的分歧，基于核磁共振實(shí)驗(yàn)提出的勒夫模型被廣泛認(rèn)同[4]。環(huán)氧和羥基被認(rèn)為是在石墨烯氧化物表面的主要基團(tuán)，一些羧基和羰基被認(rèn)為在邊緣。但是2006年Dekany根據(jù)漫反射傅里葉變換紅外譜的測量提出了狄凱尼模型，認(rèn)為環(huán)己烷鏈接的條帶組成石墨烯氧化物的主要結(jié)構(gòu)。并且利用第一性原理的能量計(jì)算，一些更為詳細(xì)的石墨烯氧化物的模型也被提出來了，這其中羥基鏈結(jié)構(gòu)由于具有相連的氫鍵，被認(rèn)為能夠很好的降低體系的能量，而廣泛存大于各種石墨烯氧化物的理論模型中。

在石墨烯氧化物的13C NMR光譜中，主要存在三大共振峰，位置分別在60，70，和130 ppm。實(shí)驗(yàn)上通過一系列的反應(yīng)表明，60 ppm的峰主要來自于環(huán)氧基團(tuán)貢獻(xiàn)，70 ppm峰則主要來自羥基的貢獻(xiàn)，而130 ppm的峰被分配到未被氧化的芳香性的碳。最新實(shí)驗(yàn)上成功的合成100% 13C標(biāo)記的二維固態(tài)核磁共振，進(jìn)一步提供了羥基與環(huán)氧基以及sp2碳相鄰的直接證據(jù)。

總的來說，核磁共振光譜數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般是可靠的，但是為了更精細(xì)的得到石墨烯氧化物的一般結(jié)構(gòu)并解決目前研究中存在的分歧，需要相應(yīng)的理論模擬來與實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證及補(bǔ)充。計(jì)算核磁共振譜研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧化物和羥基的化學(xué)位移對周圍的化學(xué)環(huán)境非常敏感。孤立的環(huán)氧化物具有化學(xué)位移約70 ppm，但當(dāng)其周圍有羥基時，在大多數(shù)情況下，其化學(xué)位移約60 ppm，與實(shí)驗(yàn)值吻合。并且驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)上環(huán)氧化物與羥基的親近性。當(dāng)兩個羥基的形成1，2-對，他們有一個穩(wěn)定的化學(xué)位移約70 ppm。然而，當(dāng)羥基連成一線，由于較強(qiáng)氫鍵的拉伸作用，所得到的羥基的化學(xué)位移與實(shí)驗(yàn)值相比往往會更高。因此，預(yù)計(jì)在真實(shí)的石墨烯氧化物中能量上穩(wěn)定的羥基鏈結(jié)構(gòu)并不廣泛存在。

本文以核磁共振譜為對石墨烯氧化物的結(jié)構(gòu)研究為例。簡要的介紹這些光譜學(xué)方法對其結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，包括實(shí)驗(yàn)光譜與理論計(jì)算光譜相結(jié)合。一方面可以讓同學(xué)們看到譜學(xué)研究對確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要作用，進(jìn)一步加深對譜學(xué)的理解。另一方面，可以讓同學(xué)們接觸到目前的熱門二維新型納米材料，對擴(kuò)大知識面，并且學(xué)會查找及閱讀文獻(xiàn)，了解科學(xué)發(fā)展前沿，這對激發(fā)學(xué)習(xí)興趣以及未來的發(fā)展也具有重要的作用。從而對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究中的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的一般科學(xué)研究方法具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Novoselov， K. S. et al.， Nature， 2005，（438）：197-200.

[2]Zhang， Y. B. et al.， Nature， 2005，（438）：201-204.

[3]Stankovich， S. et al.， Nature， 2006，（442）：282-286.

[4]He， H. et al.， J. Phys. Chem.， 1996，（100）：19954-19958.