在大学里学习时，我们经常会惊叹于前辈科学家为我们建造的精美绝伦的科学大厦。想到物理和化学理论已经如此完美地解释了各种简单和复杂的分子结构时，大多数化学系学生都会有一种生不逢时的感觉。假如生活在拉瓦锡时代，观察蜡烛燃烧，就可能发现组成空气的不同气体；假如生活在道尔顿时代，随便找一块石头也许会发现其中不同元素间存在的定量关系；即使生活在门捷列夫年代，还有着众多的未知化学元素等着你去发现。唉，迟了！所有的大自然规律已经写在教科书中，真让英雄无用武之地。

无机化学课告诉我们，碳原子和硅原子之间以共价键结合时会形成强度和硬度非常高的碳化硅，硬度多少，密度多少，C-Si键能多少，在什么温度下分解。似乎所有能想到的性质，书中都有，难道真的就没有什么东西可做了吗？

我们课题组的研究方向就是纳米碳化硅的形貌控制合成。采用的方法主要是溶胶-凝胶法，也就是先通过溶胶-凝胶过程制备出含碳和硅的凝胶，然后再经高温碳热还原得到碳化硅。研究发现，制备凝胶的碳前驱体以及溶胶-凝胶过程中添加的金属盐对碳化硅产物的形貌有非常重要的影响。以前，我们曾采用酚醛树脂为碳源，正硅酸乙酯为硅源，在表面活性剂的作用下，制备出了一种周期性的珠状碳化硅纳米链。

最近，我们采用联苯作为碳碳前驱体又制备出了一种具有周期性结构的碳化硅纳米线：周期性孪晶结构的碳化硅纳米线。这种纳米线由气-液-固机理产生，直径在50到300纳米之间，截面为六边形，周期与直径成线性关系，如图2所示。起初，我们认为这种纳米线是螺纹状的。但仔细研究发现，这种纳米线由等高度的斜六棱柱堆积而成。计算机模拟表明，六棱柱的侧面均为{111}晶面，相对侧面具有不同的化学组成，要么全碳，要么全硅。也就是说，如果一个侧面全由碳原子组成，则相对面全由硅原子组成。这样的两个表面显然具有不同的表面能，因而在纳米线中会产生应力。随着六棱柱的生长，应力也线性增加。由于孪晶具有较低的能量,纳米线每生长一定长度就产生一个孪晶，使相对侧面的极性发生反转,从而抵消这种应力。上述过程不断重复,就形成了具有周期性孪晶结构的碳化硅纳米线。

我们应用的大多数物质，都是分子或原子的聚集体，其性质并不完全由分子或原子的性质决定，而是由它们的聚集特征决定。因此，即使人们对某个分子的结构和性质早已了解清楚透彻了，也不能排除这种分子通过某种方式发生自组装形成新的物质、产生新的性质。看来，在科学研究中只要有期待，就会有收获，年轻人投身于研究事业中，仍然能享受到科学发现的乐趣。

                                                 2008/04/17

(以下图片版权归Nanotechnology杂志和作者所有)

以下结果发表于 Nanotechnology, 2008, 19(21): 215602

图1:  周期性孪晶结构的SiC纳米线

 

图 2.  计算机模拟结果

 

图 3. 孪晶纳米线的HRTEM

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