諾貝爾獎(jiǎng)納米材料——富勒烯

富勒烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

一、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

1）.富勒烯分子

    富勒烯( Fullerene)是一種單質(zhì)碳元素構(gòu)成的同素異形體。由一種元素碳的五元環(huán)和六元環(huán)組成，以球狀或橢圓狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯，穩(wěn)定存在的富勒烯必須滿(mǎn)足獨(dú)立五元環(huán)規(guī)則。

2）.足球烯

    最常見(jiàn)的富勒烯為C60，分子量為720，它是由60個(gè)碳原子通過(guò)20個(gè)六元環(huán)和12個(gè)五元環(huán)連接而成的具有30個(gè)碳碳雙鍵的足球狀空心對(duì)稱(chēng)分子，因它酷似足球，所以富勒烯也被稱(chēng)為足球烯。

3）.納米王子

    富勒烯直徑只有0.7納米，每一毫克純富勒烯里有8.36e17（8.36億個(gè)億）個(gè)富勒烯分子，如同富勒烯與足球的直徑比例等同于足球與地球的直徑的比例。同時(shí)由于富勒烯完美的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)、在納米尺度范圍內(nèi)特殊的穩(wěn)定性，以及奇異的電子結(jié)構(gòu)使其成為在許多高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大的材料，被業(yè)界稱(chēng)為”納米王子“

二、微觀(guān)性質(zhì)

1）.物理性質(zhì)

質(zhì)量密度：1.72g/cm3 ;分子密度：1.44x1021/cm3；相轉(zhuǎn)變溫度：255K，90K;德拜溫度：185K；電阻率: 1014ohms m-1；介電常數(shù)：4.0-4.5；沸點(diǎn): 800K下升華。

2）.晶型結(jié)構(gòu)

C60平均直徑: 6.83?；晶型結(jié)構(gòu)：面心立方晶體結(jié)構(gòu)；晶格常數(shù)：14.17?。

3）.穩(wěn)定性

C60是由12個(gè)五元環(huán)和20個(gè)六元環(huán)碳原子組成的中空籠狀結(jié)構(gòu)。由于五元環(huán)是張力環(huán)，六元環(huán)是非張力環(huán)，因此富勒烯的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性由所謂的五元環(huán)分離規(guī)則決定。

4）.對(duì)稱(chēng)性

C60為60個(gè)碳原子組成的球形32面體；它含有12個(gè)正五邊形面和20個(gè)正六邊形面, 60個(gè)頂點(diǎn)分別由60個(gè)碳原子占據(jù)，每個(gè)碳原子都處在一個(gè)五邊形和兩個(gè)六邊形的連接點(diǎn)上以每個(gè)碳原子為頂點(diǎn)坐標(biāo)，左右結(jié)構(gòu)都是對(duì)稱(chēng)。

5）.中控性

C60晶體是面心立方晶體結(jié)構(gòu)，在其四面體和八面體間隙位置可以摻加入堿金屬原子，形成MxC60晶體，如K3C60、Cs2RbC60。

三、物理性質(zhì)

1）.溶解性

   非極性分子C60具有高度對(duì)稱(chēng)性，它在不同有機(jī)溶劑中的溶解性是不同的。C60在芳香族溶劑中的溶解速度不快，且在脂肪烴中的溶解度存在著一定的規(guī)律：隨著溶劑分子中碳原子數(shù)目的增加，溶解度逐漸增大 , 目前用于溶解C60最常用的溶劑為甲苯。

2）.超導(dǎo)性

   面心立方的固態(tài)C60是能隙為1.5eV的半導(dǎo)體，但其具有很強(qiáng)的電子親和力，從而使得導(dǎo)電性得到改善。C60和堿金屬作用，形成穩(wěn)定的復(fù)合型離子化合物，這種復(fù)合型離子化合物就會(huì)轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體，表現(xiàn)出良好的超導(dǎo)性。

4）.光電導(dǎo)性

   C60具有吸電子性，易與供電子的有機(jī)物結(jié)合，生成電荷轉(zhuǎn)移型材料，光的吸收增大會(huì)得到更多的電子、空穴載流子，電導(dǎo)率因而增大。這樣的材料可以用于光敏器件、靜電復(fù)印等方面。

5）.非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)                                   

    富勒烯C60具有良好的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，它是電子共軛的籠形結(jié)構(gòu)存在著三維高度非定域，大量的共軛r電子云分布在其內(nèi)外表面上。C60在光的散發(fā)后會(huì)發(fā)生光電子的轉(zhuǎn)移，形成電子一空穴對(duì)，由此預(yù)測(cè)C60是很好的光電導(dǎo)材料。

四、化學(xué)性質(zhì)

1）.與金屬反應(yīng)

      芳烴一般都具有易與親電試劑發(fā)生親電取代反應(yīng)富電子反應(yīng)性的特征。C60卻十分反常，它具有缺電子化合物的生質(zhì)，傾向于得到電子，易與親核試劑(如金屬)反應(yīng)K3C60。

2）.加成反應(yīng)

    C60具有不飽和性加成反應(yīng)主要有C60親核加成反應(yīng)和C60親電加成反應(yīng)。它可以和胺類(lèi)、磷酸鹽、磷化物等發(fā)生親核加成反應(yīng)，還可以與CH3I在格氏試劑作用下反應(yīng)，生成烷基化物。

3）.聚合反應(yīng)

       在光輻射照的條件下，C60分子可以發(fā)生聚合反應(yīng)。如利用紫外光輻射C60薄膜，發(fā)現(xiàn)C60分子之間可以發(fā)生價(jià)健結(jié)合，質(zhì)譜檢測(cè)到高達(dá)20個(gè)C60聚合的現(xiàn)象。

4）.其他反應(yīng)

具有芳香性，一般稠環(huán)芳香烴的反應(yīng)，如還原反應(yīng)生成氫化物。而且富勒烯能夠產(chǎn)生氧化、光敏化、與自由基反應(yīng)。