碳氏家族的新星—巴基球

来源:互联网发布时间:2009-08-21

近年来,世界科技界出现了两大热,一是超导热,认为超过体可以带来新的技术革命;二是巴基球热,认为碳的这种新同素异形体,将像120年前发现苯环开辟了整个芳香化学新领域一样,将揭开碳化学的新篇章。几年前,化学家们根据大量的证据认定,除了金刚石和石墨外,碳还有第三种同素异形体,其碳原子所组成的分子呈封闭球形鼠笼结构。这种结构被称为巴克敏斯特富勒任(Buck- minsterfulleren),简称富勒任,或称巴基球。其中,最对称的是由60个碳原子组成的完整的圆形碳分子——C60。巴基球的发现是从对星际空间分子的探索开始的。英国塞克斯大学的化学家克罗托和瓦尔顿长期致力于星际空间不寻常分子的研究。
     1958年8月,他们在美国休斯顿设想用几万摄氏度高温的激光轰击石墨靶,以得到单键和三键交替出现、又长又直的氰基聚炔烃。实验中,他们立即被更大的、在质谱仪上相当于60个碳原子的信号所吸引,并通过对这一意外现象的分析,讨论导致C60这么稳定的可能结构。最初,他们主要想到两种结构。一种是由类似石墨的六角形多夹层结构组成的整球体,但这种结构并不稳定;另一种便是封闭的球形鼠笼结构,这种结构是稳定的。之所以想到后一种结构,主要是受到了克罗托十分尊敬的建筑师巴克敏斯特·富勒(Buckminster Faller)为 1967 年蒙特利尔国际博览会美国馆设计的奇特的地球形体建筑的启发。克罗托把 C60与这种奇特的地球形体建筑联系起来,认为 C60是完全由六角形构成的。
     他所领导的小组成功地用20个六角形和几个五角形组成了有60个顶角的足球形结构体,并把这种新的碳分子命名为“巴克敏斯特富勒任。”到 1989 年,美国物理学家霍夫曼和克列希默制得较多(以毫克计)的C60,并用晶体x射线和电子衍射法测得其分子结构为球形,从而证实了巴基球的存在。1991年,我国北京大学化学系和物理系的研究小组也成功地合成并研究了巴基球,经红外、核磁、质谱等方法测得的数据均接近国际水平。目前,该小组正在进一步研究 C60及类似的“足球”形同素异形体的结构、化学物理性状和超导性等。巴基球显示了非线性光学特性,并促进了对金刚石膜的研制。另外,科学家们继续提高以巴基球为基础的超导体的工作温度,使这一温度起码达到42K。日本三菱电机公司宣布他们已研制成第一种 C60巴基球半导体。用这种材料制成的半导体基片与传统的硅半导体基片相比,其耐热性和耐辐射性较强,透明性好,可以达到较高的集成度。
     另外,这种新半导体材料还能以较高的效率发射和接收波长范围较宽的光辐射。据报道,在日本已发现了巴基管,它是碳的第四种形态。巴基管具有六边形碳铺成的螺旋状圆筒结构,是由结构相同的圆筒一个套在另一个上组成的,圆筒的最小直径为2纳米。由于具有这样的结构,巴基球具有金属或半导体的电子特性。同时,在自然界中除了 DNA(脱氧核糖核酸)外,没有其他物质具有巴基管这样的螺旋状结构。六个碳原子组成的苯环形成了有机化学中的芳香族化学,那么,六十个碳原子组成的巴基球将给合成化学带来什么样的变化,现在还很难预测。另外,人们发现了碳的第三种同素异形体——巴基球,那么,其他元素是否亦可能有类似的同素异形体存在,也正引起化学家们密切的关注!总之,碳氏家族的新星——巴基球魅力无穷!

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