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球碳C60到石墨烯: 會有下一個碳明星分子嗎?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年06月10日  

化學元素的單(純物)質所存在不同形式的分子和晶體稱為這個元素的同素異形體(Allotrope)。元素C的同素異形體球碳”C60的發現使三位科學家分享1996年諾貝爾化學獎,僅隔16年,C的另一同素異形體石墨烯的分離使兩位科學家分享2010年諾貝爾物理學獎。1991C60被美國《科學》選為年度明星分子,石墨烯當然也不愧為新明星分子了!

 

不禁要問:元素C究竟有多少個同素異形體呢?今后還會出現新的C明星分子出現嗎?

 

如果按單質的物相進行分類,大致可以將C同素異形體按結晶體,無定形體和氣態分子Cn (n = 1, 2, 3, …)分別討論。不過我們感興趣是組成和結構了解比較清楚,與我們生活關系密切而在自然界可呈晶態的同素異構體,如金剛石,石墨,球碳和鏈形碳化合物等幾大同素異形體家族。其中我們對金剛石和石墨兩家族了解最早,而從石墨分離出來的石墨烯最新。

 

金剛石晶體主要呈立方晶系對稱,此外在自然界還有呈六方晶系的同素異構體,結構對應于立方和六方硫化鋅。二者的C原子均以sp3軌道四面體型成鍵,盡管這不是C原子的密堆積方式,金剛石卻是自然界最硬的物質,人們把它的Mohr硬度定為10,在人類生產和生活中具有重要的價值。有意思的是,金剛石中C-C距離1.54埃,但不是C-C最短鍵長!

 

石墨晶體可描繪為石墨烯堆積起來的三維結構。石墨烯是C原子以sp2軌道三角型成鍵的單分子層平面大分子,層與層之間按范德華鍵,即分子間弱相互作用力堆砌成石墨晶體。由于堆砌的周期不同,石墨有兩個主要同素異構體,即按ABABAB。。。六方堆砌的α – 型和按ABCABC。。。三方堆積的β – 型結構。當然,在自然界大量存在更為復雜的堆積方式。

 

與上兩者不同,球碳的C原子分布在二維空間的曲面上,連結方式是以sp2 - sp3 混合軌道的三角錐型成鍵,容納了六元C環與五元C環的和諧共處,從而出現常見的“足球”等。球碳是一個包括圓球和橢球等等的大家族,若把碳納米管看成是拉得很長的管狀球碳的話,要回答碳有多少同素異形體真是一言難盡,更別說碳元素所形成的那千變萬化的有機化合物了。

 

不論球碳還是石墨烯,這些明星分子皆是客觀本已存在的大自然母親的傑作。它們被發現增加人們的科學認知,它們所具有的特殊性能鼓勵科學家們繼續研究,甚至于探尋自然界沒有的特殊性能的材料。 “晶體工程”就是我們向大自然挑戰,而不僅僅滿足于她的恩賜。超導,超強,超硬,超輕,以及超密高能材料等等,我們面臨的挑戰和創新的機會太多了!

 

試問:難道沒有可能合成比金剛石還硬的物質嗎?人們對此期待久矣!從碳氫化合物中已知C – C單鍵鍵長可小到 1.44 埃,這比金剛石的C原子間的距離 1.54 埃要短到 0.1埃之多。理論計算業已證明,某種超四面體烷烴以C – C單鍵連結起來時就可能接近此超短的距離。于是有人在那里“玩游戲”了,真說不準有朝一日再有碳的同素異形體成為新的明星分子。

 

  你不會認為這是天方夜譚吧,抑或你會對此樂觀其成?說不準你會樂此不疲參與其中哩!


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