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1、新型無機(jī)非金屬材料C60一 顆 璀 璨 的 “ 明 星 分 子 ” 碳的三種同分異型體的比較金剛石石墨C 60 結(jié)構(gòu)和性質(zhì)金剛石石墨C60C原子的成鍵形式 四面體平面三角形球面形（直徑710pm）C原子的雜化軌道sp3 sp2 sp2.26(鍵s0.3 p0.7)CCC鍵角10928120116CC鍵長/pm 154.4 141.8 139.1(6/6)145.5(6/5)密度/g.cm -3 3.514 2.266 1.678電阻/.cm 10141016 (0.4-5.0)10-4(層)(0.2-1.0)(層) 硬度/Mohs 10 1 碳的三種同分異型體的比較 “明星分子”的發(fā)現(xiàn)Robe
2、rt F.Curl教 授（ Rice University） Harold W. Kroto教 授（ University of Sussex） Richard E. Smalley教 授（ Rice University） C60的發(fā)現(xiàn)歷程（一）意外的發(fā)現(xiàn)（ 1） Harold W. Kroto的 研 究 領(lǐng) 域 是 星 際 分 子 問題 ；（ 2） Richard E. Smalley研 究 的 是 各 種 元 素 原 子簇 的 性 質(zhì) ； Smalley發(fā) 明 了 一 臺 很 好 的 儀 器 ， 叫 激光 超 聲 波 原 子 束 射 線 測 試 儀 ， 這 臺 測 試 儀 可 以 進(jìn) 行
3、周 期 表 內(nèi) 幾 乎 所 有 元 素 的 原 子 束 的 研 究 。 圖 2 質(zhì) 譜 儀 工 作 原 理 圖 3 實 驗 中 得 到 的 質(zhì) 譜 圖 C60的發(fā)現(xiàn)歷程（二）結(jié)構(gòu)的鑒定 Smalley和 他 的 夫 人 （ 也 是 一 位 科 學(xué) 家 ） 最 初 使用 牙 簽 搭 建 C60的 模 型 ， 可 惜 沒 有 成 功 ； 接 著 用 計 算機(jī) 進(jìn) 行 模 擬 也 遭 失 敗 。 后 來 他 們 借 助 Kroto送 給Smalley小 孩 的 一 些 玩 具 模 型 搭 成 了 一 個 球 體 （ 包 含有 12個 五 邊 形 與 20個 六 邊 形 ） 后 ， 向 數(shù) 學(xué) 家 V
4、eech（ 同 屬 Rice University） 請 教 C60能 是 一 種 什 么 樣 的結(jié) 構(gòu) 。 Veech的 答 復(fù) 是 ： “ 和 足 球 的 結(jié) 構(gòu) 相 同 ” 。 于是 C 60的 結(jié) 構(gòu) 就 被 確 定 了 下 來 。 C60的發(fā)現(xiàn)歷程（三）物性、譜學(xué)的研究STM（ 掃 描 隧 道 顯 微 鏡 ） 測 試 圖 5 掃 描 隧 道 顯 微 鏡 原 理 示 意 圖圖 4 掃 描 隧 道 顯 微 鏡 圖 6 C60的 STM原 子 分 辨 圖 C60的發(fā)現(xiàn)歷程（四）制備方法的改進(jìn) 1991年 8月 在 美 國 費(fèi) 城 舉 行 了 “ C60及 其 衍 生 物 研 究 ” 的 學(xué)
5、術(shù) 報 告 會 ， 同 年 10月 在 亞 歷 山 大 鳳 凰 城 舉 行 了 另 一 場 報 告 會 。 兩 場 報 告 會 都 是 座 無 虛 席 ， 情 景 空 前 熱 烈 。 圖 7 電 弧 法 制 備 C60的 裝 置 但 是 改 進(jìn) 后 的 方 法 產(chǎn) 量 還 是 小 ，從 1000克 石 墨 只 能 得 到 3克 C60。 由 于 制 備 上 的 困 難 ， C60價 格 非 常昂 貴 ， 比 如 粗 制 煤 煙 20$/g， 富 含 C60的 煤 煙 80$/g， 含 多 種 球 碳 的 煤 煙 500$/g。 提 純 后 C60-C70混 合 物 的 價 格 是1200$/g
6、， 幾 乎 為 當(dāng) 年 黃 金 價 格 的 100倍 。 C60應(yīng)用舉例 一 、 C60在 超 導(dǎo) 體 中 的 應(yīng) 用圖 1 M +處 于 C60的 fcc晶 格 間 隙 K3C60 Rb3C60 Cs3C60Tc/K 1819 30 33（-240）表 1 幾 種 堿 金 屬 摻 雜 C60的 超 導(dǎo) 性 質(zhì) 1、 摻 雜 C60的 超 導(dǎo) 體 2、 C60的 多 聚 物 圖 2 C 60的 二 聚 物 C116 有 人 曾 經(jīng) 預(yù) 測 過 ， 當(dāng) C原 子 數(shù) 達(dá) 到 540時 ， 就 可 獲得 室 溫 超 導(dǎo) 。 二 、 C60F60 C60打 開 30個 雙 鍵 與 氟 發(fā) 生 加 成
7、 反 應(yīng) 生 成 C60F60， 這是 一 種 白 色 的 粉 末 ， 耐 高 溫 （ 約 700 ） ， 可 以 用 作 超級 固 體 潤 滑 劑 。 因 此 ， C60F60被 稱 為 “ 分 子 滾 珠 ” 。 三 、 C60的 耐 壓 性 在 常 壓 下 碳 的 同 素 異 形 體 中 金 剛 石 的 硬 度 大 ， 其次 是 石 墨 ， C60最 小 。 美 國 康 奈 爾 大 學(xué) 的 研 究 工 作 表 明： 在 中 等 壓 力 下 情 況 卻 完 全 不 同 ， C 60的 耐 壓 程 度 要 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超 過 金 剛 石 。 C60具 有 非 線 性 光 學(xué) 性 質(zhì) ， 可 做 成
8、 新 一 代 光 學(xué) 電 腦開 關(guān) 。 四 、 C60F60的 非 線 性 光 學(xué) 性 質(zhì) 可 以 合 成 頂 端 含 C60的 星 型 聚 乙 烯 大 分 子 ， 用 作 為多 電 子 存 儲 系 統(tǒng) 。五 、 用 作 多 電 子 存 儲 系 統(tǒng) 將 金 屬 鋰 植 入 C60內(nèi) 部 形 成 的 LiC60化 合 物 ， 可 作 為高 能 鋰 電 池 。六 、 LiC60七 、 用 于 制 作 巴 基 管 碳 納 米 的 材 料 碳納米管簡介 C60、 C70只 是 福 勒 烯 家 族中 的 一 員 ， 除 此 之 外 ， 還 有多 種 形 式 的 碳 單 質(zhì) 相 繼 被 科學(xué) 家 所 發(fā)
9、現(xiàn) ， 比 如 ： 碳 納米 管 、 碳 納 米 顆 粒 、 “ 巴 基洋 蔥 頭 ” 。 碳 納 米 管 可 以 看成 用 石 墨 層 卷 曲 形 成 的 管 狀結(jié) 構(gòu) ， 第 一 個 碳 納 米 管 由 日本 NEC公 司 的 S.Lijima所 發(fā)現(xiàn) 。 圖 1 碳 納 米 管 碳 納 米 管 由 于 其 磁 學(xué) 、 電 學(xué) 性 能 的 改 變 ， 其 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 變 寬 ， 比 如 用作 催 化 劑 或 其 載 體 、 納 米 導(dǎo) 線 、 復(fù) 合 材 料 、 纖 維 與 藥 物 等 。 碳 納 米 管 一 個 令 人 激 動 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 就 是 替 代 半 導(dǎo) 體 硅 制
10、備 碳 基 電 子器 件 。 傳 統(tǒng) 的 硅 半 導(dǎo) 體 存 在 發(fā) 熱 問 題 ， 由 于 碳 納 米 管 的 電 子 物 理 性 質(zhì) 來 源于 幾 何 結(jié) 構(gòu) (直 徑 小 于 0.1nm即 發(fā) 現(xiàn) 有 量 子 效 應(yīng) )而 不 是 來 自 摻 雜 ， 故 其 熱穩(wěn) 定 性 好 ， 可 制 得 比 硅 芯 片 小 百 倍 的 器 件 。 碳 納 米 管 器 件 還 可 望 代 替 CRT陰 極 射 線 管 ， 解 決 筆 記 本 電 腦 、 大 屏 幕 電 視 的 顯 示 等 問 題 。 Richard E.Smalley曾 經(jīng) 預(yù) 言 可 用 碳 納 米 管 作 “ 數(shù) 字 繪 畫 ”
11、（ 又 稱 為“ 分 子 焊 接 ” ） ： 碳 納 米 管 相 當(dāng) 于 畫 筆 的 筆 桿 ； 連 在 碳 納 米 管 上 的 催 化 分子 好 像 是 畫 筆 的 鬃 毛 ； 而 畫 布 就 是 需 要 在 其 上 構(gòu) 造 分 子 層 次 結(jié) 構(gòu) 的 表 面 ；那 么 溶 液 中 漂 浮 著 的 反 應(yīng) 物 分 子 構(gòu) 成 就 是 “ 繪 畫 ” 了 ， 碳 納 米 管 末 端 的 催化 分 子 和 反 應(yīng) 物 分 子 依 畫 筆 “ 數(shù) 字 ” 而 發(fā) 生 變 化 。 使 用 碳 納 米 管 作 分 子“ 焊 接 ” 將 提 供 構(gòu) 造 復(fù) 雜 電 子 器 件 的 途 徑 ， 如 分 子 精 度 的 奔 騰 芯 片 。碳納米管應(yīng)用
第一節(jié)（2） 新型無機(jī)非金屬材料
