巴基球开辟化学新纪元

时间：2023-02-13 理论教育版权反馈

【摘要】：金刚石是迄今所知的天然产物中硬度最高的物质。科学的发展往往是曲折的，在偶然性的事件中包孕着必然性。C60的发现是继1986年高温超导氧化物发现以来举世瞩目的科学新成就，在国际科学界引起巨大的轰动。有人预言，C60的发现将开辟碳化学、新型功能材料的新纪元。可不要小瞧这看似不起眼的物质，在科学家眼里它的价值竟然赛过黄金。C60具有碳元素的其他单质如金刚石、石墨不同的性质。这已为中、美、日等国科学家的实验所证实。

5. 巴基球开辟化学新纪元

“养在深闺人未识”

在自然界的100多种化学元素中，碳可以算是一种备受青睐的特殊元素——它在所有元素中被研究得最多。原因当然很多，但其中重要的一点是化合物的数量。目前已知化合物的种类已超过1000万种，其中含碳的化合物约占90％！可谓种类繁多，千姿百态。以至于在化学领域里，也以碳来划分“泾渭”：专门研究碳的化合物的化学分支叫做“有机化学”；研究碳以外元素及其化合物的化学叫做“无机化学”。有人把碳元素称为“有机化合物之母”，它是当之无愧的。

几个世纪以来，化学教科书总是说碳元素具有两种同素异形体——以四面体结构相连接的金刚石，见图2-4（a）和平面层状结构的石墨，见图2-4（b）。金刚石是迄今所知的天然产物中硬度最高的物质。除了作首饰（钻石）之外，还被用来划玻璃，或者装在钻探机的钻头上，成为向地球深处进军的开路先锋。石墨软滑、无光泽，用来做铅笔芯（做铅笔芯的是石墨而不是铅，但铅笔这个名词已沿用至今）、润滑剂、耐高温材料、导电材料等。石墨和金刚石由于结构不同，性质差别很大，但在一定的条件下，石墨可以变为人造金刚石，只不过变化条件相当苛刻——2000℃以上、1500MPa。自然界中金刚石储量不多，而新科技对这样坚硬的材料的需求日益增长，促使人们进行人造金刚石的研究，并随此发展了高温高压技术。

除了金刚石和石墨之外，碳元素是否还存在第三种同素异形体呢？这是多年来人们普遍关心的问题。日本学者小泽在1970年就预测有碳的第三种同素异形体存在。直到80年代中期，人们终于发现了它的“踪迹”——它就是如今已被化学界所熟知的C₆₀（又称作球碳或巴基球），见图2-4（c）。

图2-4　碳的三种单质的结构示意图

（a）金刚石（b）石墨（c）巴基球

红杏出墙春意闹

科学的发展往往是曲折的，在偶然性的事件中包孕着必然性。C₆₀的发现过程与它的结构一样饶有趣味，而且谁也没有料想到，这一重大发现首先应归功于天体物理学家锲而不舍的科学实验。因为C₆₀是在研究碳原子簇时发现的，而这一研究又始于科学家们对宇宙尘埃的兴趣。

20世纪30年代初，人们便开始了对存在于宇宙空间的星际物质的探索，并相继发现了羟基（OH）、氨（NH₃）、水（H₂O）、甲醛（H₂CO）等有机分子。到1979年底，已观测到的星际分子已超过50种。星际分子的研究有助于人们了解星云演变为恒星的许多细节。弄清楚星际分子的形成过程及其化学演化，尤其是星际有机分子的形成机理，与探索地球上的生命起源也有密切关系。这些，构成了现代天文学中的一个新的分支——星际化学。

为了模拟星际空间及恒星附近链状碳原子簇的形成过程，科学家们采用各种方法试图得到碳原子簇。早在1942年，哈恩（Hahn）等人便用质谱法证实了原子簇Cn（n<15）的存在。1984年，罗尔芬（Rohlfing）等用质谱仪研究在超声氦气流中以激光蒸发石墨所得产物时，发现碳可以形成n<200的Cn原子簇，当n>40时，簇中碳原子数仅为偶数。1985年，美国休斯敦莱斯大学的柯尔（Curl）教授、斯莫利（Smalley）教授与英国萨塞克斯大学的克罗托（Kroto）教授合作进行宇宙尘埃的模拟合成研究。在与罗尔芬同样的实验装置上，精心控制条件，经过长达11天的连续实验之后，在显微镜下，看到了一种状如足球的集束碳原子结构——它就是C₆₀。三位化学家深深折服于微观世界的这一美妙景观，它简直就是美国未来派建筑学家巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）那充满灵性的穹顶设计——短程线圆顶屋构型的翻版。于是，他们依据富勒的名字把C₆₀叫做“Buckminsterfullerene”，简称“Fullerene”，俗称“巴氏球”或“巴基球”，也称为“球碳”。他们还命名了一族新的化学分子族，叫“富勒烯”（Fullerenes），这是单质碳的新的存在形式——空间有限的笼状结构（所以也有人称之为“笼状全烯”或称为“全碳分子”），其中最重要的是C₆₀分子，此外还可能有：C₂₈、C₃₂、C₅₀、C₇₆、C₈₄、C₉₀、……C₂₄₀、C₅₄₀等等。由于富勒烯奇特的结构形式和特殊的物理化学性质，引起了世界上众多化学家、物理学家和材料科学家的极大兴趣。

1996年10月，瑞典皇家科学院宣布，两名美国人和一名英国人，即上文提及的柯尔、斯莫利和克罗托因1985年发现“富勒球”（即C₆₀）而荣获1996年度诺贝尔化学奖。评奖委员会说，由于他们的工作成就，“创立了一个崭新的化学分支，对于诸如天体化学、超导、材料化学和物理学等不同领域具有重大意义”。

明星分子独领风骚

C₆₀的发现是继1986年高温超导氧化物发现以来举世瞩目的科学新成就，在国际科学界引起巨大的轰动。专家评论认为，也许还没有哪一项化学研究能像C₆₀及其家族那样，得到如此众多出版物和科学刊物的肯定评论。C₆₀分子被美国《科学》周刊评为1991年的“明星分子”。近几年内，形成了世界范围的“C₆₀热”，发表的论文每月达150篇。有人预言，C₆₀的发现将开辟碳化学、新型功能材料的新纪元。

C₆₀的分子直径只有0.71纳米（1纳米=10^-9米）。有人或许要问，小小的巴基球为何竟有如此魅力，使众多科学家为之如痴如迷呢？

前边已经提到，C₆₀是单质碳的又一种存在形式。它由60个碳原子组成一个类似于足球形状的分子。C₆₀分子是由五边形和六边形组成的凸32面体（包含12个五元环和20个六元环），因此有人又把它叫做足球烯。C₆₀可溶于多种溶剂，在有机溶剂中其溶液呈粉红到红色，溶剂挥发后得到棕黑色晶体。可不要小瞧这看似不起眼的物质，在科学家眼里它的价值竟然赛过黄金。

C₆₀从发现至今不过短短十余年，但是，科学家们早已注意到，C₆₀的研究涉及物理、化学、材料、生物与医学等众多学科与领域，不仅具有重大的基础研究意义，而且在许多尖端领域有着诱人的应用前景。C₆₀具有碳元素的其他单质如金刚石、石墨不同的性质。例如，在C₆₀中掺杂入钾、铯等碱金属，就能使其具有超导性能。这已为中、美、日等国科学家的实验所证实。由于C₆₀是一种球状结构，并且具有特殊的稳定性，一出世就有人提出用它来作分子滚球，制成润滑剂。现在人们已制造出C₆₀F₆₀，它是一种白色粉末，被认为是超高级耐高温润滑剂，在未来高技术领域有广泛应用前景。C₆₀固体本身是一种直隙能隙半导体，与砷化镓相似。因此它是继硅、锗、砷化镓之后的又一种新型半导体材料。有人在砷化镓作基底的面上成功地制出了C₆₀—K₃C₆₀异质薄膜，这种薄膜具有清晰而稳定的边界，利用它可以制造出优良的微电子器件。

C₆₀的分子的碳笼是中空的，有可能夹进其他原子或离子（甚至是一个小分子），这种想法在实验上得到了证实。有人已经合成了内含镧、铁等金属原子或稀有气体分子的碳笼包合物。这类包合物具有广阔的应用前景。如将锂原子注入C₆₀分子笼内形成的含锂包合物，可用于制造抗大气腐蚀的高效能锂电池；由于C₆₀具有抗辐照性能，有人设想将放射性元素置于C₆₀分子笼内，然后将它注射到癌病变部位，则可大大提高放射治疗的效力并减少其副作用；也有人设想利用此类碳笼包合物的多种电子结构特性，来做成分子器件。

研究发现，C₆₀还可用于制造磁性材料、工业气体吸附剂；金属与富勒烯外表面的加合物有可能成为性能优良的催化剂；将C₆₀加高压还可以制得金刚石。此外，在核物理领域，C₆₀也大有用武之地，它可以用作物理碰撞的高能轰击粒子。法国科研人员用线性加速器成功地加速C₆₀离子用于轰击固体靶，由于它的体积和质量均较大，因此不易穿透固体，从而可以使靶物质在碰撞时获得巨大的能量。

如今，世界各国的科学家正在探索高效、低成本的C₆₀的制造方法，制取C₆₀已成为90年代世界上新兴的高技术研究项目。有人认为，当今的形势与1865年凯库勒提出苯分子的结构以后，芳香化学取得蓬勃发展的形势十分相似。专家预测：C₆₀将在21世纪数以万计的衍生物中起主导作用。一个以C₆₀为主的全碳分子研究，将成为具有战略意义的高科技领域。

正因为如此，我国科学工作者不甘落后，以自己的聪明才智在C₆₀的研究方面取得了一系列令世人瞩目的成就。例如，浙江大学在1993年10月底以前，就在C₆₀的研究上获得了五项十分有意义的进展：①巴基管、巴基葱高产率合成及其高分辨率电镜研究；②水溶性C₆₀—卵磷脂和C₆₀的生物效应研究；③C₆₀及C₇₀单晶生长和相变研究；④C₆₀膜的增强非线性响应研究；⑤富勒烯掺杂有光电导材料研究等。以上研究工作均属于值得研究的重要热点。与此同时，武汉大学分析测试中心在C₆₀的制取和应用方面也取得了多项专利。目前，他们的C₆₀、C₇₀的年生产能力已达到数十千克，其中纯品产量超过了10千克。我国化学工作者在C₆₀的研究领域已有了很好的起步，可以预期在不太长的时间里还将取得累累硕果。