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从球碳C60到石墨烯: 会有下一个碳明星分子吗?

已有 7512 次阅读 2010-11-4 10:59 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述

化学元素的单(纯物)质所存在不同形式的分子和晶体称为这个元素的同素异形体(Allotrope)。元素C的同素异形体球碳”C60的发现使三位科学家分享1996年诺贝尔化学奖,仅隔16年,C的另一同素异形体石墨烯的分离使两位科学家分享2010年诺贝尔物理学奖。1991C60被美国《科学》选为年度明星分子,石墨烯当然也不愧为新明星分子了!

 

不禁要问:元素C究竟有多少个同素异形体呢?今后还会出现新的C明星分子出现吗?

 

如果按单质的物相进行分类,大致可以将C同素异形体按结晶体,无定形体和气态分子Cn (n = 1, 2, 3, …)分别讨论。不过我们感兴趣是组成和结构了解比较清楚,与我们生活关系密切而在自然界可呈晶态的同素异构体,如金刚石,石墨,球碳和链形碳化合物等几大同素异形体家族。其中我们对金刚石和石墨两家族了解最早,而从石墨分离出来的石墨烯最新。

 

金刚石晶体主要呈立方晶系对称,此外在自然界还有呈六方晶系的同素异构体,结构对应于立方和六方硫化锌。二者的C原子均以sp3轨道四面体型成键,尽管这不是C原子的密堆积方式,金刚石却是自然界最硬的物质,人们把它的Mohr硬度定为10,在人类生产和生活中具有重要的价值。有意思的是,金刚石中C-C距离1.54埃,但不是C-C最短键长!

 

石墨晶体可描绘为石墨烯堆积起来的三维结构。石墨烯是C原子以sp2轨道三角型成键的单分子层平面大分子,层与层之间按范德华键,即分子间弱相互作用力堆砌成石墨晶体。由于堆砌的周期不同,石墨有两个主要同素异构体,即按ABABAB。。。六方堆砌的α – 型和按ABCABC。。。三方堆积的β – 型结构。当然,在自然界大量存在更为复杂的堆积方式。

 

与上两者不同,球碳的C原子分布在二维空间的曲面上,连结方式是以sp2 - sp3 混合轨道的三角锥型成键,容纳了六元C环与五元C环的和谐共处,从而出现常见的“足球”等。球碳是一个包括圆球和椭球等等的大家族,若把碳纳米管看成是拉得很长的管状球碳的话,要回答碳有多少同素异形体真是一言难尽,更别说碳元素所形成的那千变万化的有机化合物了。

 

不论球碳还是石墨烯,这些明星分子皆是客观本已存在的大自然母亲的傑作。它们被发现增加人们的科学认知,它们所具有的特殊性能鼓励科学家们继续研究,甚至于探寻自然界没有的特殊性能的材料。 “晶体工程”就是我们向大自然挑战,而不仅仅满足于她的恩赐。超导,超强,超硬,超轻,以及超密高能材料等等,我们面临的挑战和创新的机会太多了!

 

试问:难道没有可能合成比金刚石还硬的物质吗?人们对此期待久矣!从碳氢化合物中已知C – C单键键长可小到 1.44 埃,这比金刚石的C原子间的距离 1.54 埃要短到 0.1埃之多。理论计算业已证明,某种超四面体烷烃以C – C单键连结起来时就可能接近此超短的距离。于是有人在那里“玩游戏”了,真说不准有朝一日再有碳的同素异形体成为新的明星分子。

 

  你不会认为这是天方夜谭吧,抑或你会对此乐观其成?说不准你会乐此不疲参与其中哩!



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