最善变的元素与最完美的分子

罗会仟

神话世界里的孙悟空会“七十二变”，自然现实中的元素也会有形形色色的“变幻”——这就是元素单质的同素异形体，它们虽然由相同的元素组成，但是其物理性质却千差万别。例如氧气和臭氧分子分别是由两个和三个氧原子组成，氧气无色无味，是生命活动中必需的物质，而臭氧则带蓝色且有刺激性腥臭味，属于有毒气体，大气层中的臭氧吸收了大量阳光中的紫外线，是地球的生命的保护伞。要问最善变的元素是什么，那非碳元素莫属。

                       石墨烯和碳纳米管

碳，元素周期表中排行老六，原子量为12，原子核最外层电子数为4。我们知道，碳元素最外层电子轨道排满为8，因此处于“中庸”状态下的碳元素，可以呈现-4到+4等多种化学价态。正是如此，碳元素具备了很强的“化学牵手”能力，它可以形成单键、双键和三键等多种化学键态，进一步可以构造出多种多样的单质组态。目前发现的碳的同素异形体有数十种，比如石墨、金刚石、无定形碳、碳纳米管、单层石墨烯以及C₆₀、C₇₀、C₇₆、C₈₂、C₈₄等各种形态的巴基球。石墨具有简单的六角蜂窝型层状结构，每个石墨层之间只存在很弱的范德瓦尔斯力。因此石墨特别软，是良好的润滑剂，我们经常使用的铅笔芯主要成分就是石墨，此外，石墨还是不透光的良导体。相比之下，石墨的另一个兄弟金刚石就很不一样。金刚石是自然界最硬的材料，它属于原子紧密堆积的面心立方晶系，是透明的电绝缘体，也是热的良导体。自然界中，石墨价格低廉，但是金刚石却十分昂贵，是珠宝装饰品之一。如果将石墨一层一层剥离，那么最终将剩下单层碳原子组成单层石墨，又叫做石墨烯。科学实验证明，石墨烯是可以稳定存在的目前世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，它具有许多新奇的量子特性，比如室温下的量子霍尔效应，是未来量子器件的重要材料之一。2004年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在英国成功用透明胶带撕出了单层石墨烯，为此他们荣获了2010年诺贝尔物理学奖。如果我们将层状的石墨卷曲起来，让边缘的碳原子也结成化学键就可以构造出一个管状圆筒，这就是碳纳米管。单层碳原子构造出的纳米管叫做单壁碳纳米管，多层碳原子则叫做多壁碳纳米管。碳纳米管是一种一维纳米材料，它具有良好的力学、电学和化学性能。碳纳米管可以用于制作纳米探针、纳米逻辑电路甚至纳米机器，它是纳米器件的宠儿，在医学和材料科学上也有着重要的应用。

对碳元素的各种同素异形体的广泛研究开始于1985年人们发现的C₆₀材料。英国科学家哈里·克罗托和他的同事罗伯特·柯尔及理查德·斯莫利等合成了这种新的碳分子，它由60个碳原子组成截角二十面体，包含12个五边形和20个六边形，形似足球的外形图案，因此被称为足球烯。由于美国建筑学家富勒经常采用类似的建筑结构，C₆₀又叫做富勒烯。克罗托等人因富勒烯的发现荣获1996年的诺贝尔化学奖，C₆₀也因其高度对称之美被誉为最完美的分子。C₆₀的发现激发了人们对碳的同素异形体的研究热潮，理论上计算给出了各种可能具有稳定结构的碳单质。假如我们把C₆₀这个“足球”当中“剖开”，中间还可以塞进10个原子，这就构成了C₇₀。如此这般，我们可以不断剖开塞进碳原子，直到最终许多碳原子形成了一个长长的管子——这就是碳纳米管。如果将单壁碳纳米管当中“剪开”并铺平，就形成了单层石墨烯。如果将单层石墨烯“堆垒”起来，就回归到了多层石墨。另一方面，也可以将更多碳原子组合起来形成各种各样的“碳笼”，比如理论预言存在540个碳原子组成的碳分子C₅₄₀。可见，碳元素单质的“千变万化”，却是“万变不离其宗”。

C₆₀分子结构、足球和C₅₄₀分子结构

《<自然>学科经典系列：化学的进程》收录了历年来在《自然》上发表的有关化学和材料的经典论文，其中涉及碳同素异形体的有多篇论文，这些论文的集结出版和中文翻译让我们亲密接触到了科学家当年的发现。

1985年，克罗托等人采用激光蒸发石墨，他们成功获得了多种碳元素单质，其中C₆₀占主要成分，并命名为富勒烯，当时其足球笼状结构尚是一种猜测。因为气态存在的单质很难进行结构研究，后来1990年克雷奇默等人用电流通过石墨在氩气氛中蒸发，获得了固态的C₆₀，并采用系列成分和结构的表征手段证实了它的结构。1991年，日本科学家饭岛澄男报道了多壁碳纳米管的制备方法，并随后改进实验方法获得了直径1纳米的单壁碳纳米管（1993年）。碳纳米管是完美的碳纳米纤维，可以制作探针、容器、电路元器件等。对于碳纳米管结构形成的解释，饭岛澄男等人认为可以从单层或多层石墨的卷曲来构造。碳纳米管的制备中采用了铁或钴等金属元素进行催化，涉及到表面催化技术，也是当今纳米材料制备的主要技术之一。同样是在1991年，另一件值得注意的事情是赫巴德等人在掺K的C₆₀中发现了超导电性，这说明碳元素单质和其他材料反应生成的化合物有丰富的物理性质，有巨大的材料科学研究价值。2004年，石墨烯的发现更是激起了科学家对碳单质的研究兴趣。石墨烯的强度好、导电性好，很可能在未来取代硅成为主要的电子元件材料。其应用的主要障碍是纳米加工技术，即如何获得各种图案结构的石墨烯。为此，除了采用胶带不断撕薄石墨可以获得石墨烯外，科学家还发明了原子级精确的“自上而下”方法来制备石墨烯，使得物性研究和纳米器件研制更加方便。

碳元素单质广泛存在于各种碳元素相关的物理和化学过程中，一件有趣的事情是在2011年，英国华人科学家周午纵和他的同事一起发现在蜡烛的火焰中存在各种碳的同素异形体，包括无定形碳、石墨、富勒烯甚至微小的钻石颗粒。富勒烯、碳纳米管和石墨烯等多种碳元素形态的存在，让人们对自然界的多变性有了深刻的认识。

【注】图片来自维基百科: http://en.wikipedia.org/wiki/Fullerene

和百度百科http://baike.baidu.com/view/1744041.htm