第一节（2） 新型无机非金属材料

新型无机非金属材料C60一 颗 璀 璨 的 “ 明 星 分 子 ” 碳的三种同分异型体的比较金刚石石墨C 60 结构和性质金刚石石墨C60C原子的成键形式 四面体平面三角形球面形（直径710pm）C原子的杂化轨道sp3 sp2 sp2.26(键s0.3 p0.7)CCC键角10928120116CC键长/pm 154.4 141.8 139.1(6/6)145.5(6/5)密度/g.cm -3 3.514 2.266 1.678电阻/.cm 10141016 (0.4-5.0)10-4(层)(0.2-1.0)(层) 硬度/Mohs 10 1 碳的三种同分异型体的比较 “明星分子”的发现Robert F.Curl教 授（ Rice University） Harold W. Kroto教 授（ University of Sussex） Richard E. Smalley教 授（ Rice University） C60的发现历程（一）意外的发现（ 1） Harold W. Kroto的 研 究 领 域 是 星 际 分 子 问题 ；（ 2） Richard E. Smalley研 究 的 是 各 种 元 素 原 子簇 的 性 质 ； Smalley发 明 了 一 台 很 好 的 仪 器 ， 叫 激光 超 声 波 原 子 束 射 线 测 试 仪 ， 这 台 测 试 仪 可 以 进 行周 期 表 内 几 乎 所 有 元 素 的 原 子 束 的 研 究 。 图 2 质 谱 仪 工 作 原 理 图 3 实 验 中 得 到 的 质 谱 图 C60的发现历程（二）结构的鉴定 Smalley和 他 的 夫 人 （ 也 是 一 位 科 学 家 ） 最 初 使用 牙 签 搭 建 C60的 模 型 ， 可 惜 没 有 成 功 ； 接 着 用 计 算机 进 行 模 拟 也 遭 失 败 。 后 来 他 们 借 助 Kroto送 给Smalley小 孩 的 一 些 玩 具 模 型 搭 成 了 一 个 球 体 （ 包 含有 12个 五 边 形 与 20个 六 边 形 ） 后 ， 向 数 学 家 Veech（ 同 属 Rice University） 请 教 C60能 是 一 种 什 么 样 的结 构 。 Veech的 答 复 是 ： “ 和 足 球 的 结 构 相 同 ” 。 于是 C 60的 结 构 就 被 确 定 了 下 来 。 C60的发现历程（三）物性、谱学的研究STM（ 扫 描 隧 道 显 微 镜 ） 测 试 图 5 扫 描 隧 道 显 微 镜 原 理 示 意 图图 4 扫 描 隧 道 显 微 镜 图 6 C60的 STM原 子 分 辨 图 C60的发现历程（四）制备方法的改进 1991年 8月 在 美 国 费 城 举 行 了 “ C60及 其 衍 生 物 研 究 ” 的 学术 报 告 会 ， 同 年 10月 在 亚 历 山 大 凤 凰 城 举 行 了 另 一 场 报 告 会 。 两 场 报 告 会 都 是 座 无 虚 席 ， 情 景 空 前 热 烈 。 图 7 电 弧 法 制 备 C60的 装 置 但 是 改 进 后 的 方 法 产 量 还 是 小 ，从 1000克 石 墨 只 能 得 到 3克 C60。 由 于 制 备 上 的 困 难 ， C60价 格 非 常昂 贵 ， 比 如 粗 制 煤 烟 20$/g， 富 含 C60的 煤 烟 80$/g， 含 多 种 球 碳 的 煤 烟 500$/g。 提 纯 后 C60-C70混 合 物 的 价 格 是1200$/g， 几 乎 为 当 年 黄 金 价 格 的 100倍 。 C60应用举例 一 、 C60在 超 导 体 中 的 应 用图 1 M +处 于 C60的 fcc晶 格 间 隙 K3C60 Rb3C60 Cs3C60Tc/K 1819 30 33（-240）表 1 几 种 碱 金 属 掺 杂 C60的 超 导 性 质 1、 掺 杂 C60的 超 导 体 2、 C60的 多 聚 物 图 2 C 60的 二 聚 物 C116 有 人 曾 经 预 测 过 ， 当 C原 子 数 达 到 540时 ， 就 可 获得 室 温 超 导 。 二 、 C60F60 C60打 开 30个 双 键 与 氟 发 生 加 成 反 应 生 成 C60F60， 这是 一 种 白 色 的 粉 末 ， 耐 高 温 （ 约 700 ） ， 可 以 用 作 超级 固 体 润 滑 剂 。 因 此 ， C60F60被 称 为 “ 分 子 滚 珠 ” 。 三 、 C60的 耐 压 性 在 常 压 下 碳 的 同 素 异 形 体 中 金 刚 石 的 硬 度 大 ， 其次 是 石 墨 ， C60最 小 。 美 国 康 奈 尔 大 学 的 研 究 工 作 表 明： 在 中 等 压 力 下 情 况 却 完 全 不 同 ， C 60的 耐 压 程 度 要 远远 超 过 金 刚 石 。 C60具 有 非 线 性 光 学 性 质 ， 可 做 成 新 一 代 光 学 电 脑开 关 。 四 、 C60F60的 非 线 性 光 学 性 质 可 以 合 成 顶 端 含 C60的 星 型 聚 乙 烯 大 分 子 ， 用 作 为多 电 子 存 储 系 统 。五 、 用 作 多 电 子 存 储 系 统 将 金 属 锂 植 入 C60内 部 形 成 的 LiC60化 合 物 ， 可 作 为高 能 锂 电 池 。六 、 LiC60七 、 用 于 制 作 巴 基 管 碳 纳 米 的 材 料 碳纳米管简介 C60、 C70只 是 福 勒 烯 家 族中 的 一 员 ， 除 此 之 外 ， 还 有多 种 形 式 的 碳 单 质 相 继 被 科学 家 所 发 现 ， 比 如 ： 碳 纳米 管 、 碳 纳 米 颗 粒 、 “ 巴 基洋 葱 头 ” 。 碳 纳 米 管 可 以 看成 用 石 墨 层 卷 曲 形 成 的 管 状结 构 ， 第 一 个 碳 纳 米 管 由 日本 NEC公 司 的 S.Lijima所 发现 。 图 1 碳 纳 米 管 碳 纳 米 管 由 于 其 磁 学 、 电 学 性 能 的 改 变 ， 其 应 用 领 域 变 宽 ， 比 如 用作 催 化 剂 或 其 载 体 、 纳 米 导 线 、 复 合 材 料 、 纤 维 与 药 物 等 。 碳 纳 米 管 一 个 令 人 激 动 的 应 用 领 域 就 是 替 代 半 导 体 硅 制 备 碳 基 电 子器 件 。 传 统 的 硅 半 导 体 存 在 发 热 问 题 ， 由 于 碳 纳 米 管 的 电 子 物 理 性 质 来 源于 几 何 结 构 (直 径 小 于 0.1nm即 发 现 有 量 子 效 应 )而 不 是 来 自 掺 杂 ， 故 其 热稳 定 性 好 ， 可 制 得 比 硅 芯 片 小 百 倍 的 器 件 。 碳 纳 米 管 器 件 还 可 望 代 替 CRT阴 极 射 线 管 ， 解 决 笔 记 本 电 脑 、 大 屏 幕 电 视 的 显 示 等 问 题 。 Richard E.Smalley曾 经 预 言 可 用 碳 纳 米 管 作 “ 数 字 绘 画 ” （ 又 称 为“ 分 子 焊 接 ” ） ： 碳 纳 米 管 相 当 于 画 笔 的 笔 杆 ； 连 在 碳 纳 米 管 上 的 催 化 分子 好 像 是 画 笔 的 鬃 毛 ； 而 画 布 就 是 需 要 在 其 上 构 造 分 子 层 次 结 构 的 表 面 ；那 么 溶 液 中 漂 浮 着 的 反 应 物 分 子 构 成 就 是 “ 绘 画 ” 了 ， 碳 纳 米 管 末 端 的 催化 分 子 和 反 应 物 分 子 依 画 笔 “ 数 字 ” 而 发 生 变 化 。 使 用 碳 纳 米 管 作 分 子“ 焊 接 ” 将 提 供 构 造 复 杂 电 子 器 件 的 途 径 ， 如 分 子 精 度 的 奔 腾 芯 片 。碳纳米管应用