1、新型无机非金新型无机非金 属材料属材料 C C60 60一颗璀璨的 一颗璀璨的“明星分子明星分子” 碳的三种同分异型体的比较碳的三种同分异型体的比较 金刚石金刚石 石墨石墨 C60 结构和性质结构和性质 金刚石金刚石 石墨石墨 C C60 60 C原子的成键形式原子的成键形式 四面体四面体 平面三角形平面三角形 球面形球面形 （直径（直径710pm） C原子的杂化轨道原子的杂化轨道 sp3 sp2 sp2.26(键键s0.3 p0.7) CCC键角键角 10928 120 116 CC键长键长/pm 154.4 141.8 139.1(6/6) 145.5(6/5) 密度密度/g.cm-3 3
2、.514 2.266 1.678 电阻电阻/.cm 10141016 (0.4-5.0)10-4(层层) (0.2-1.0)(层层) 硬度硬度/Mohs 10 1 碳的三种同分异型体的比较碳的三种同分异型体的比较 “明星分子明星分子”的发现的发现 Robert F.Curl教授教授 （Rice University） Harold W. Kroto教授教授 （University of Sussex） Richard E. Smalley教授教授 （ Rice University） C C60 60的发现历程（一） 的发现历程（一）意外的发现意外的发现 （1 1）Harold W. Krot
3、oHarold W. Kroto的研究领域是星际分子问的研究领域是星际分子问 题题 ； （2 2）Richard E. SmalleyRichard E. Smalley研究的是各种元素原子研究的是各种元素原子 簇的性质；簇的性质；SmalleySmalley发明了一台很好的仪器，叫激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。周期表内几乎所有元素的原子束的研究。 图图2 质谱仪工作原理质谱仪工作原理 图图3 实验中得到的质谱图实验中得到的质谱图 C C60 60的发现历程（二） 的发
4、现历程（二）结构的鉴定结构的鉴定 SmalleySmalley和他的夫人（也是一位科学家）最初使和他的夫人（也是一位科学家）最初使 用牙签搭建用牙签搭建C C60 60的模型，可惜没有成功；接着用计算 的模型，可惜没有成功；接着用计算 机进行模拟也遭失败。机进行模拟也遭失败。 后来他们借助后来他们借助KrotoKroto送给送给 SmalleySmalley小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含 有有1212个五边形与个五边形与2020个六边形）后，向数学家个六边形）后，向数学家VeechVeech （同属（同属Rice UniversityRice Un
5、iversity）请教）请教C C60 60能是一种什么样的 能是一种什么样的 结构。结构。VeechVeech的答复是：“和足球的结构相同”。于的答复是：“和足球的结构相同”。于 是是C C60 60的结构就被确定了下来。 的结构就被确定了下来。 C C60 60的发现历程（三） 的发现历程（三） 物性、谱学的研究物性、谱学的研究 STMSTM（扫描隧道显微镜）测试（扫描隧道显微镜）测试 图图5 5 扫描隧道显微镜原理示意图扫描隧道显微镜原理示意图 图图4 4 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 图图6 C6 C60 60的 的STMSTM原子分辨图原子分辨图 C C60 60的发现历程（四） 的
6、发现历程（四） 制备方法的改进制备方法的改进 19911991年年8 8月在美国费城举行了“月在美国费城举行了“C C60 60及其衍生物研究”的学 及其衍生物研究”的学 术报告会，同年术报告会，同年1010月在亚历山大凤凰城举行了另一场报告会。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。两场报告会都是座无虚席，情景空前热烈。 图图7 7 电弧法制备电弧法制备C60C60的装置的装置 但是改进后的方法产量还是小，但是改进后的方法产量还是小， 从从10001000克石墨只能得到克石墨只能得到3 3克克C C60 60。 。 由于制备上的困难，由于制备上的困难，C
7、 C60 60价格非常 价格非常 昂贵，比如粗制煤烟昂贵，比如粗制煤烟20$/g20$/g，富含，富含C C60 60 的煤烟的煤烟80$/g80$/g，含多种球碳的煤烟，含多种球碳的煤烟500500 $/g$/g。提纯后。提纯后C C60 60- -C C7070混合物的价格是 混合物的价格是 1200$/g1200$/g，几乎为当年黄金价格的，几乎为当年黄金价格的100100 倍。倍。 C C60 60应用举例 应用举例 一、一、C C60 60在超导体中的应用 在超导体中的应用 图图1 M1 M+ +处于处于C C60 60的 的fccfcc晶格间隙晶格间隙 K3C60 Rb3C60 C
8、s3C60 Tc/K 1819 30 33（-240） 表表1 1 几种碱金属掺杂几种碱金属掺杂C C60 60的超导性质 的超导性质 1 1、掺杂、掺杂C C60 60的超导体 的超导体 2 2、C C60 60的多聚物 的多聚物 图图2 C2 C60 60的二聚物 的二聚物C C116 116 有人曾经预测过，当有人曾经预测过，当C C原子数达到原子数达到540540时，就可获时，就可获 得室温超导。得室温超导。 二、二、C C60 60F F6060 C C60 60打开 打开3030个双键与氟发生加成反应生成个双键与氟发生加成反应生成C C60 60F F6060，这 ，这 是一种白色
9、的粉末，耐高温（约是一种白色的粉末，耐高温（约700700），可以用作超），可以用作超 级固体润滑剂。因此，级固体润滑剂。因此，C C60 60F F6060被称为“分子滚珠”。 被称为“分子滚珠”。 三、三、C C60 60的耐压性 的耐压性 在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其 次是石墨，次是石墨，C C60 60最小。美国康奈尔大学的研究工作表明 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，：在中等压力下情况却完全不同，C C60 60的耐压程度要远 的耐压程度要远 远超过金刚石。远超过金刚石。 C C60 60具有非
10、线性光学性质，可做成新一代光学电脑 具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑 开关。开关。 四、四、C C60 60F F6060的非线性光学性质 的非线性光学性质 可以合成顶端含可以合成顶端含C C60 60的星型聚乙烯大分子，用作为 的星型聚乙烯大分子，用作为 多电子存储系统。多电子存储系统。 五、用作多电子存储系统五、用作多电子存储系统 将金属锂植入将金属锂植入C C60 60内部形成的 内部形成的LiCLiC60 60化合物，可作为 化合物，可作为 高能锂电池高能锂电池。 六、六、LiCLiC60 60 七、用于制作七、用于制作“ “巴基管巴基管“ “碳纳米的材料碳纳米的材料 碳纳米管
11、简介碳纳米管简介 C C60 60、 、C C70 70只是福勒烯家族 只是福勒烯家族 中的一员，除此之外，还有中的一员，除此之外，还有 多种形式的碳单质相继被科多种形式的碳单质相继被科 学家所发现，学家所发现， 比如：碳纳比如：碳纳 米管、碳纳米颗粒、“巴基米管、碳纳米颗粒、“巴基 洋葱头”。碳纳米管可以看洋葱头”。碳纳米管可以看 成用石墨层卷曲形成的管状成用石墨层卷曲形成的管状 结构，第一个碳纳米管由日结构，第一个碳纳米管由日 本本NECNEC公司的公司的S.LijimaS.Lijima所发所发 现。现。 图图1 1 碳纳米管碳纳米管 碳纳米管由于其磁学、电学性能的改变，其应用领域变宽，比
12、如用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。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 源于几何结构源于几何结构( (直径小于直径小于0.1nm0.1nm即发现有量子效应即发现有量子效应) )而不是来自掺杂，故其而不是来自掺杂，故其 热稳定性好，可制得比硅芯片小百倍的器件。
13、碳纳米管器件还可望代替热稳定性好，可制得比硅芯片小百倍的器件。碳纳米管器件还可望代替 CRTCRT阴极射线管，解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等问题。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.SmalleyRichard E.Smalley曾经预言可用碳纳米管作“数字绘画”（又称为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。片。 碳纳米管应用碳纳米管应用
