富勒烯和C[,60]，本文主要内容关键词为：富勒论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1985年，在英国著名的《自然》杂志上，英国化学家克罗托、美国化学家斯莫利和科尔以及斯莫利的两位研究生希思和奥布赖恩发表文章，介绍他们在室温下和氦气流中，用脉冲激光技术将石墨蒸发，生成的碳蒸气经过快速冷却以后，再用时间飞行质谱法检测到产物中存在着一系列由偶数个碳原子形成的原子簇分子，其中有一个峰比其他峰的强度大20～25倍，此峰的质量数对应于由60个碳原子所形成的原子簇。比C[,60]峰稍低一些的还有一质量数对应于70个碳原子的原子簇C[,70]。由此证实，他们发现了一系列的原子簇，其中C[,60]最具有代表性。当时，他们并未获得可见量的产品，他们的证据是间接的，即只在时间飞行质谱计上检测得到了信息，但就是这一点证据，也足以说明富勒烯（特别是C[,60]和C[,70]）是一种稳定的分子，一种新的碳的同素异形体。
自从发现了富勒烯以后，克罗托等人最关心的是C[,60]的分子结构。能够对他们产生启发的有石墨和金刚石的分子结构，但它们的分子都是一种无限结构，谁也说不清石墨和金刚石分子中含有多少个碳原子，即碳原子都是可以无限延伸的。但C[,60]分子中的碳原子数是有限的，是一个确定的数——60。即使在后来发现的C[,540]分子中， 碳原子数仍然是有限的，因此，富勒烯不可能具有石墨和金刚石的结构。
在热烈讨论C[,60]分子结构的过程中，克罗托忽然想起了他曾经参观过的加拿大蒙特利尔万国博览会中的美国馆，它是一座外形奇特的球形建筑。受这一启发，克罗托提出，C[,60]是否是球形分子。
设计加拿大蒙特利尔万国博览会美国馆的建筑师是美国人富勒（Buckminster Fuller）。他的设计思想可以概括为“少里求多”四个字，而少里求多的最突出例子是地球，它以最小的面积包含了最大的体积。富勒把这种哲学思想用在建筑上，谋求以最少的材料建造出最大容积的建筑物，构思出球形网架建筑，被称为多面体穹窿结构建筑，即用若干个轻质的三角形或多边形的面就能组成球形的多面体建筑，各个面可用短杆连接作为骨架，对建筑物提供最大的应力和最高的强度。
受富勒的启发，克罗托等认为C[,60]具有多面体结构。瑞士数学家欧拉发现，不论是什么形状的凸多面体，其顶点数v、棱边数e 和面数f之间总存在着v－e＋f＝2的关系。从这个公式可以证明正多面体只有五种，即正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。它们的顶点数、棱边数和面数为：
上面这五种多面体的顶点数都不是60，因此都不是C[,60]，分子的结构。要想得到60个顶点，只有采用把多面体的顶角截下来的办法。因为在截角时，每截下来原来的一个顶角，便会产生更多的顶角，或许最后能得到60个顶角。
如果采用平截的方法，对正二十面体进行截角，并在每一个顶点下的棱边的1／3处将顶角截去（削去），由于正二十面体有12个顶角，削去这12个顶角以后，就使这12个平截的地方变成了12个五边形，剩下的面则全变成了六边形（一共有20个）。最后得到的将是一个由12个五边形和20个六边形组成的三十二面体，它的顶点数为60，棱边数为90，面数为32，这就是C[,60]的分子结构。
于是，克罗托和斯莫利等用纸剪成了许多六边形和五边形的纸片，用手工方法拼接出了一个球形的三十二面体分子，其中12个五边形面互相不邻接，每一个六边形面则与3个六边形面和3个五边形面互相邻接，这样的结构使C[,60]分子既具有轴对称性，又有中心对称性，成为三维空间高度对称的分子。它的高度美学的魅力使C[,60]赢得了美国《科学》杂志1991年度“最美分子”和“明星分子”的桂冠。
C[,60]分子的形状和构造酷似英国式足球，它恰恰就是由12块五边形的皮革和20块六边形的皮革缝制而成的，这便是C[,60]叫做“足球烯”的原因。
C[,70]的分子结构是一个三十七面体，由12个五边形和25个六边形的面组成，顶点数为70，棱边数为105，面数为37， 形状酷似一只橄榄球。
碳是4价的，因此在C[,60]分子中每一个碳原子应该与其他4个碳原子相连，形成共价键。可是从三十二面体结构来看，每一个碳原子只与其他3个碳原子相连。这岂不与碳的四价学说发生了矛盾？
克罗托借鉴了凯库勒设计苯分子结构的方法。凯库勒提出了苯环结构，即苯分子是一个环状分子，而且巧妙地提出，苯分子中存在着3 个共轭双键，使苯分子中每一个碳原子仍然是4价的。
克罗托等提出C[,60]分子中存着30个共轭双键，于是在C[,60]分子中，每一个碳原子也都是4价的，完全符合碳四价学说。由于C[,60] 具有共轭双键结构，是一种不饱和的化合物，和苯一样，具有芳香性，能够形成各种衍生物。苯是只有3个共轭双键的平面分子，C[,60] 则是有30个共轭双键的立体分子，它所能够形成的衍生物将比苯要多得多，因此C[,60]化学必将得到更大的发展，无怪乎全世界化学界认为C[,60]及一系列碳原子簇的发现开创了一个崭新的化学分支学科。克罗托、斯莫利和科尔也因此而获得1996年诺贝尔化学奖。
在克罗托等勾画出C[,60]分子结构的过程中，富勒的启示起了关键作用，因此克罗托等建议用富勒的姓名来命名这一系列碳原子簇，称为Buckminsterfullerene，简称Fullerene，中译名富勒烯。 为什么要在Fuller的后面加上一个词尾－ene呢？这是由于C[,60] 等具有不饱和性，英文中对有不饱和性的化合物的命名常常有词尾－ene。 因为带词尾－ene的化合物常被译成烯，所以中译名叫富勒烯或足球烯。
1990年，德国马克思－普朗克研究所的物理学家克列希默和美国亚利桑那大学教授霍夫曼在氦气流下，用电弧使石墨蒸发为碳蒸气，制备出了毫克级的C[,60]产品。它是一种棒状或片状具有六重对称性的晶体，透光时为红色到棕色，反射光时具有金属外貌。克列希默和霍夫曼得到了富勒烯的实物，才有可能对它们的性质和应用作进一步的研究。
C[,60]的应用研究可分为以下几个方面：①超导体。C[,60]分子是中空的，球的里面可以填进其他原子，以赋予特殊的性质。于是，就可以在空洞里面做文章。1991年，美国电话电报公司贝尔实验室的赫巴德将钾原子填到C[,60]分子中，使它成为超导体，临界温度可达18K。 如果填入铯和铷，临界温度可提高到33K；②分子润滑剂。C[,60] 分子具有不饱和性，可以形成氟和C[,60]的化合物C[,60]F[,60]，它是一种粉末状耐高温材料，并有润滑性，可用作分子润滑剂，有“分子滚珠”之称；③气体贮存。C[,60]能可逆地进行加氢和脱氢，可用于机动车上用的氢气贮存装置，比金属氢化物的贮气密度高6倍。C[,60] 对氧气的贮存容量显著地高于分子筛，可望在医疗、军事、商业部门得到应用；④传感器。C[,60]可制作固体状态的化学传感器，优点是尺寸小、简单、可再生、价格低，可检测出氮气中小于1ppm的硫化氢以及溶解在水中的40ppm的异丙醇，这些都适用于环境检测。
在1991年以前，已经发现的富勒烯的成员只有
1991年以后，富勒烯家族又出现了新的成员——布基管和布基洋葱。布基管又称纳米管，是一种纳米材料（1纳米等于1×10[－9]米），是一种具有纳米尺寸的中空单层或多层管状材料。多层管状材料的层与层之间的距离为0.34纳米，每一层都由许多个六边形面组成网络，然后卷成圆筒形的两端封闭的布基管。纳米管被认为是一种最细的模具，管内填充了极细的金属线以后，将成为一种最细的超导线，在超导领域大有用武之地。
布基洋葱是一种多层的颗粒状三维结构物质。把它放在高分辨透射电镜下观察，很像一个切开的洋葱，因而得名。它有可能在复合材料上获得应用。