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“富勒烯”的发现—科学与建筑艺术的机缘

已有 279 次阅读 2020-9-14 11:31 |个人分类:技术创新|系统分类:科普集锦

  此博文获得:中国科协第二届全国科学博客大赛优秀博文大奖)


傅蕴德 


C60被发现之前,人们只知道以单质形式存在的碳的同素异形体有:金刚石、石墨和无定形碳。

1960年以来,就有人猜测过中空形碳素分子存在的可能性。1980年英国Sussex大学的微波光谱学家克罗托教授通过研究星际云团和红巨炭星气团光谱中所见长链聚乙炔信号的契机,巧合地通过美国Rice大学的Curl与该校的Smalley共同合作,利用Smalley所创制的激光气化超声束流仪进行了相应的探索性研究,1985年, Kroto等以联合装置中的质谱仪进行分析,首次发现了质谱中存在着一批相应于偶数碳原子的分子的峰,导致了C60的发现。

克罗托通过实验证实了C60的分子存在,并指出C60可能由60个顶角和适当的正五边形和六边形组成。后来斯莫利根据他猜想做出了一个C60模型---“富勒烯”。克罗托因为这一发现和斯莫利、柯尔三人共获1996年诺贝尔化学奖。

C60这种分子由60个碳原子组成,有60个顶点和32个面,其中12个面是五角形,20个面是六角形,它们结成一个高度均匀,类似球状的中空结构,其几何形状与足球相同。克罗托及其合作者把这种怪异的分子命名为巴克敏斯特富勒烯”,简称“富勒烯(fullerene”, 又名巴基球“巴克球” Buckyball)。

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由于C60特殊的结构和性质,C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,得到广泛的应用。特别是1990年以来Kratschmer和Huffman等人制备出克量级的C60,使C60的应用研究更加全面、活跃。

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  哈罗德·克罗托 (Harold W. Kroto,1939- )             

                         理查德•斯莫利 (Richard E. Smalley,1943-2005)                                                                                                                                   罗伯特•柯尔(Robert F. Curl ,1933- )      

1996年诺贝尔化学奖获得者,英国苏塞克斯大学(University of Sussex)教授、美国佛罗里达州立大学弗朗西斯-埃普斯荣誉教授。他从事瞬间光解所产生自由基的高分辨电子光谱、电子和微波光谱、利用拉曼光谱对液态中间体的研究等。 

1985年,克罗托教授与同事在美国莱斯大学(Rice University)做实验,试图刺激红巨星大气层的化学反应。这些实验再次证明了含碳长链分子的存在。在这些实验中他们还偶然发现了“碳六十”(C60)。C60分子结构优美,就像是60个碳原子做成的“纳米足球”,由12个五边形和20个六边形构成。克罗托教授给C60起名为“巴克明斯特•富勒烯”,以纪念发明穹顶建筑结构的美国建筑大师巴克明斯特•富勒。这种穹顶结构已被广泛应用于需要覆盖大面积空间的建筑工程。

 哈罗德•克罗托教授在发现C60分子结构之后就开始深入研究“富勒烯家族”,并由此创立了一个崭新的化学分支,因而与美国莱斯大学的两位科学家(Prof.Richard E. Smalley &Prof. Robert F. Curl)一起获得了1996年诺贝尔化学奖。1991年,克罗托获聘皇家学会研究教授,1990-2000年担任《化学学会报告》编委会主任;1995年创立Vega科学基金会,为英国广播公司制作高质量科普电视节目。此外,他还发起了全球教育外展计划(GEO),使科学家能够制作并在网上播送自己的科学节目,协助教师讲授自然科学,工程及技术科学。

1996年诺贝尔化学奖获得者,曾任美国赖斯大学纳米科学和技术中心主任,美国国家科学院院士。他主要从事超声速流激光光谱研究。

获得诺贝尔化学奖后,斯莫利成为纳米技术领域的坚定支持者,期待以纳米技术的发展来解决类似能源那样的全球性问题。 1999年,斯莫利在美国众议院关于《国家纳米技术促进计划》的听证会上说,“这些小小的纳米级家族成员,以及将它们组装并加以控制的技术——纳米技术,将使我们的产业和生活发生革命性的改变。” 

1996年诺贝尔化学奖获得者,美国赖斯大学化学家,他主要从事微波及红外光谱研究。 

“富勒烯”,其名称源于美国建筑师巴克敏斯特·富勒,因为C60的原子结构与他设计的多面体穹顶相似。发现C60的科学家受到巴克敏斯特·富勒建筑结构的启发。


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                      R·巴克敏斯特·富勒R. Buckminster Fuller,1895-1983年)

R·巴克敏斯特·富勒R. Buckminster Fuller,1895-1983年),美国工程师、建筑师、设计师和发明家。他的网格穹顶,一种由四面体框架(三面加底座的金字塔形)构成的自我支撑的半球体,被认为是自拱门诞生以来最伟大的建筑发明。富勒的设计基于一种他创造的被称之为“力量协同几何”的数学体系,他认为三角形是自然界的基本建筑单元。作为最经济和最具适用性的建筑形式之一,网格穹顶被运用于体育馆、工厂、温室和陈列室。杰出的例子有蒙特利尔1967年博览会的美国厅和密苏里州圣路易斯的人工气候室。

1948年美国工程师巴克敏斯特·富勒提出的短线网格穹顶结构,集中体现了“少费多用”原则。1967年,富勒采用他创造的穹窿结构体系,设计建造了加拿大蒙特利尔世界博览会的美国馆。该馆直径76.2米,高61米,这是一种覆盖小都市空间的革新性穹顶,整个建筑以较少的材料造成轻质高强的屋盖,轻巧地覆盖着整个展馆空间。由于采用了三角形金属穹顶结构,使杆件规格最少,结构用料最省,网肋规格相当整齐,便于施工和装配,很好地满足了世博会建筑要求,成为该届世博会的标志建筑,同时也让全世界了解了网架结构的无穷潜力。由于其跨度与经济性,网架结构已成为大规模空间的首选结构之一。




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