纯碳单质梅开二度
本利评论
纯碳单质梅开二度
图1.碳单质结构
,元素周期表上第六号元素,在太阳系 碳(C)六
之物质总量里的含量比例甚高,即其丰富程度仅次
于氢,氦,氧.碳与氢,氧等元素构成无数种类的有
机化合物,所以碳被看作为有机化学以至生命科学
的标记.而纯碳晶体乃是重要的单质材料,地球上
天然存在的仅有石墨和金刚石两种碳晶结构(二者
谓之单质碳的两种同素异形体).碳原子外层有四
个价电子,藉此而与周围的碳原子形成共价键;并
有单价键C—C和双价键C=C两种形式,后者(或
C=)亦可称为烯键.凡包含烯键者,往往冠以”烯”
名.其中,人工制备的”富勒烯”和”石墨烯”,先后步
人新材料科技领域.因其性能优异,显示高超应用
价值而很快地先后登上最高科学奖宝座——发现
此二物的科学家分别获得1996年诺贝尔化学奖和
2010年诺贝尔物理学奖.真所谓:纯碳单质,梅开二
度,着实令人振奋.
一墨兰!:
一
,富勒烯和石墨烯
沈苑
富勒烯分子C印由60个碳原子构成,是典型的
笼状团簇结构,实为由12个五元环(正五边形)和
2O个六元环(正六边形)组成的镂空32面体,因其
形状就像着名建筑师富勒(B.Fuller)所
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
的蒙特
利尔博览会美国馆的最短线拱形圆顶建筑而得名.
从1985年起,美国的柯尔(R.F.Cur1),斯莫利(R.E.
Smalley)和英国的克罗托(H.W.Kroto)用激光蒸发分
子源装置使石墨蒸发.在氮气流中成簇,然后用质
谱仪分析簇合物.发现了一系列由偶数个碳原子构
成的分子,其中有一种便是相当稳定的C?;它们的
构形与石墨和金刚石不同.这三位科学家就是因为
发现了碳单质的第三种同素异形体,即因”发现碳
的富勒式结构,开创了化学研究的新领域”而荣获
1996年诺贝尔化学奖.除C?外,比较稳定的还有
CCCCC扒C鲫等,这一系列富勒式笼状结
构分子不全呈球形,有的呈椭球形.C印具有特别的
非线性光学性质,将其引入其他材料,可改变那材
料的光电性能,也改变化学性能;对C?分子间空隙
嵌入碱金属原子.则可制成转变温度较高的超导
体:将放射性元素的原子嵌入C?分子内,则可制成
具有抗病毒,抗癌症等能力的药品.确实,富勒烯及
其衍生物在化学,物理学,材料科技,生物医药
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
等研究领域里,开拓了新的天地.
石墨其实是由二维碳原子层一一堆积而成,层
与层之间凭借甚弱结合力维系,而每一碳原子层则
是全由六元环组成的蜂窝状网格结构.2004年,英
国曼彻斯特大学的盖姆(A.Geim)和诺沃肖洛夫fK.
Novoselov)采用似乎很”土”的
方法
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——”微机械剥离
?6C的左下角码表示C的元素序数,即其原子
核的(正)电荷数.下文C60的右下角码表示其内原
子的个数.
法”:用普通胶带将高定向热解石墨片反复剥离,最
终得到单层碳原子.即石墨烯.此二维晶体在室温
条件下显得很稳定,从而否定了前辈科学家关于
“准二维晶体材料在常温常压下,由于其原子的热
运动涨落而不可能保持原有结构”的见解过了才
六年,这两位俄裔科学家便因”在二维材料石墨烯
方面的开创性实验”而荣获2010年诺贝尔物理学
奖.石墨烯非但结构稳定,而且强度甚高,韧性甚
强;只有一层原子,当然很轻,透光率也高;导电,导
熟性能极好,电子迁移率很大.这许多优异性能,使
得广大科技人员都相信,石墨烯有十分广阔的应用
前景(甚至可制作石墨烯生物器件,用于生命科学
研究);瑞典皇家科学院为此声称:”碳,作为地球上
所有已知生命物质的基础,它再一次让人们震惊.”
二,对称性和实用性
材料的分子结构(还包括其内电子的结构以及
能级一能带结构),决定其性能;一般说来,若结构的
严整性,对称性高,抑或在一定条件下发生适当的
破缺,材料往往就具有一些优异的性能,那末其实
用性就格外强.对称性(及其破缺)是一种科学美,
而实用性是技术美的表现之一;可以说.前者为后
者提供了一个重要根源.
碳的电子构型为2s22p,表明碳原子之第二电
子壳层的四个价电子中至多只能有两个处于能量
最低的s态.余者则处于能量高一点的P态:用化学
术语谓之处于s轨道和P轨道.然而总能量有趋于
最低值的倾向,价电子处于s轨道与P轨道的杂化
轨道会使总能量降低.碳单质中主要有两种杂化形
式——sp和sp.一个s轨道与三个P轨道混杂,形
成具有正四面体之中心转动对称的sp杂化轨道,
藉此.每个碳原子与周围四个碳原子均形成单价键
C—C;这就是金刚石晶体的正四面体结构,对称性甚
高.这四面体被称为”有机化学的专业纹章”.而一
个s轨道与两个P轨道混杂,形成具有平面转动
120~对称的sp杂化轨道.藉此.每个碳原子与周围
同一层平面的三个碳原子键合(盯键),形成六元环
网格结构:未经混杂的P轨道垂直于杂化轨道平
面.与邻层平面上碳原子的P轨道形成大1T键;这
就是石墨的晶体结构,叮T键较弱,层与层分离则成
为石墨烯.spz杂化使得原子共面,于是出现双价键
本千j评{
图2.杂化轨道
C=C,也可能出现未配对的P态电子(未键合的
道).这便是石墨,也是石墨烯传导的载流子.
石墨烯是纯粹六元环结构;如果还有五元环,
是12个,则可构成封闭笼状结构,即富勒烯.
环的个数不受限制,倘若是20个,便为C印,倘:
25个,便为C?.富勒烯的价键是饱和的,这与
不同:即前者之笼状分子表面没有悬垂键,其?
碳原子与周围三个碳原子凭藉s轨道与P轨道
杂而形成两个单价键C—C和一个双价键C=(
者,C?笼状分子呈球形,室温时高速旋转,频
大.以至于60个碳原子看似地位完全均等.
碳原子的范德瓦尔斯半径为0.17nm(纳米
而石墨烯的厚度为0.34nm;而富勒烯C印分子
径为0.71nm,其球笼中间的空腔直径为0.36nm
墨烯卷成管状(圆柱形),若其管径也是纳米鱼
则为碳纳米管.纳米乃物质介观层次的尺度
那末从宏观尺度看来,富勒烯分子只是一个
谓零维:碳纳米管的长度为宏观尺度,故而是一
线.可谓一维;石墨烯(面)当然是二维,其长度:
度都为宏观尺度;金刚石,石墨自然是三维晶饲
富勒烯分子凭藉范德瓦尔斯力而结合成的宏:
体(称为富勒体)当然也是三维的.所以说,碳.
构成了所有维度的碳晶体结构.还可以说,石
的六元环不仅是构成石墨烯(面),而且也是构
他碳单质晶体的结构基元.
由上述可见,金刚石结构的对称性甚高,J
间的键合很牢固,它是绝缘体,化学活性不强,
些化学制剂不发生反应,而且硬度极高;石墨
然,层面上有悬垂键,即在这垂直方向上,结构
世界科学2011.2
本千j绰论ll,
称性发生破缺.层与层之问的键合不牢同.以致易
于剥离,而且有良好的导电性:将石墨剥离成石墨
烯.平面上六元环网格严整,对称以及未予键合的P
轨道(有悬垂键而未键合)的优越性凸显出来.这稳
定的二维材料既轻又韧.导电性比石墨和一般导体
都好.富勒烯分子是封闭结构,虽然不全由六元环
围成,但价键饱和,没有悬垂键,故结构的对称性不
低,特别是C?分子呈球笼形状,又在高速旋转,对
称性颇高,稳定性亦颇佳;富勒体的硬度亦不低.其
分子间和分子内空腔嵌入其他元素的原子后,则成
为具有种种不同性能的有用材料
且看石墨烯的电子结构及其能带结构,也不乏
明显的对称性.但当然与石墨等j维材料有甚大差
别.如网3所示,石墨烯电子的费米面呈现为六个
圆锥面,上,下半叶锥面的交点谓之狄拉克点.无外
加电场时,其导带与价带相接于费米能级处,即在
狄拉克点;有外加电场时,费米能级或者移到狄拉
克点之上,使大量电子进入导带,或者移到狄拉克
点之下,使大量空穴进入价带(二者的电场方向相
反,故可谓具有双极性场效应):所以,石墨烯是零
能隙(零禁带)的半导体(也可称作半金属),载流子
(电子和空穴)的浓度大,故而导电性良好:而且因
严整的六元环网格不易破坏.电子迁移时所受干扰
图3.石墨烯电子的赘米面
......———
~———————————
2
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1
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1
—
.
—
2
———
便很小,迁移率(以至迁移的速度)则甚大.用这种
新颖的二维半导体材料可望制成比硅质晶体管集
成电路的集成度更高,导电性等性能更好的全碳质
集成电路.
三,纳米材料和介观物理
富勒烯和石墨烯都是纳米材料中的佼佼者.纳
米材料或许是21世纪新材料科技领域里的一支最
引人注目的生力军.纳米尺度的微粒系统,乃指微
粒尺寸在0.1,lOOnm(1nm--10—9m)之间,亦即纳米微
粒由若干原子(可多至几百个)组成,这种系统也就
是所谓的介观系统:介观乃介于宏观和微观之间的
一
种尺度.事实上,正由于纳米材料的研制和开发.
才打开了物质结构探索的一个新层次——介观层
次:相应地,亦便开辟了物理学的一个新学科范
畴——介观物理以微粒大小来定义介观系统还不
够适当:从物理意义上说,尺度与相位相干长度接
近的系统即为介观的.介观系统的性质和运动规律
既不同于宏观系统,又与微观系统不尽相同;它遵
循量子理论所描述的定律和原理.具有量子干涉效
应,而因量子干涉和无序所导致的涨落现象亦显得
十分重要.这两方面的因素正是介观系统之性能特
殊的原因;低维物质(诸如石墨烯和碳纳米管等),
纳米微粒(诸如富勒烯团簇等),量子点和量子线等
电子器件,都是典型的介观系统,都表现出极其奇
特,相当优异的性能.其实.介观物理的兴起,反过
来也使得纳米材料的研制和开发愈益红火,蒸蒸日
上.
介观物理可算是从20世纪中期起始蓬勃发展
的凝聚态物理(以固体物理,半导体物理为主体)的
延拓.凝聚态物理主要奠基于量子力学和量子场
论,而为材料科技和信息科技等提供更直接的理论
指导.介观物理的理论体系虽然尚欠完整,但已能
凭借量子力学等基本理论对介观系统的量子干涉
等效应作出较好的解释.就说石墨烯,图3中靠近
狄拉克点处电子(以及空穴)的能量与动量呈线性
关系,故其有效质量为零,其行为即如相对论性费
米子一般.因此用相对论量子力学便可具体说明石
墨烯的良好导电性能.量子霍耳效应乃二维系统的
特异现象(乃指电阻是量子化的,对于不同系统,并
在不同实验条件下,电导率为其基元值的整数倍或
分数倍),这自然应由介观物理给出恰当的解释.而
石墨烯在与发现整数量子霍耳效应之实验相类似
的条件下,呈现很奇特的半整数量子霍耳效应;石
墨烯内电子运动遵循相对论性波动方程(狄拉克方
程).物理学家从而推测,半整数量子霍耳效应是整
数量子霍耳效应的相对论模拟,对此自然应予更深
入的理论探讨
一
般认为,人类文明肇始于工具制造,而工具
制造离不开对材料的探索和研制;如今材料科技欣
欣向荣.则表明当代文明建设有其坚实的物质基
础近几十年来火爆起来的信息科技当然就立足于
迅速发展的材料科技,最鲜明的例证是:电子计算
机,通信设备,自动化装置等,都以晶体管及其集成
电路为核心器件,而此乃大多用硅质材料制成.所
以就高新技术而论,如今可谓信息时代,以硅质半
导体为主要角色.着名的摩尔定律指明,晶体管集
成电路的集成度在快速提高,电子器件在趋于小型
化:目前达到微米(1Om)尺度,是否还能继续缩
小,会受到技术上和理论上的限制,摩尔定律也会
显示其局限性.倘若以纳米尺度的低维碳单质(特
别是石墨烯)替代硅质作为电子工业的基本材料,
会大大提高集成电路的集成度(譬如说,已试制成
直径为lOOmm的石墨烯圆片,其上布排了2.2万个
石墨烯晶体管).既然是低维的纳米材料,诸如石墨
烯内的电子是相对论性费米子,其运动规律与硅质
半导体里的电子有所不同,那末或许会降低对于摩
利.舜论
尔定律成立的限度,以至于拓宽电子工业的兴旺场
景.
如果说,硅质等半导体使高新技术进入信息时
代,由此而引发20世纪以来的科技革命和第三次
工业革命,那末碳纳米材料以及其他低维纳米材料
的大规模研制和开发,会使信息时代转向新的发展
时期,甚至有可能进入命名为”纳米材料”的新时
代,由此而促使科技革命乃至工业革命向纵深发
展.同时,随着对纳米材料之结构,性能,内部电子
等的运动规律以及制备方法的研究不断地深入,介
观物理也就逐步充实,趋于完整.诸如富勒烯之笼
状结构的饱和键合方式,掺杂碱金属的C?之(高
温)超导性机理,石墨烯内电子运动规律,石墨烯的
半整数量子霍耳效应等.都是意义深邃的研究课
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
;要圆满解决这些课题,必须凭藉于对化学键理
论,相对论性(和非相对论性)量子力学,量子场论
等现代物理理论(也包括量子化学在内)的应用.并
且,为了说明介观系统的种种有别于微观系统的现
象及其起因(例如上述之不容忽视的因量子干涉和
无序所导致的涨落现象),还须提出新的理论假说,
新的原理和定律,对基本概念作出新的变革.当然,
未来对诸多涉及纳米材料的研究课题以及种种介
观效应之合理而细致的解释,必将成为介观物理的
闪耀亮点;介观物理趋于完整之后,势必是包含凝
聚态物理的现代物理在本世纪拓展成的十分显要,
生机盎然的新学科范畴
(上接第11页)学家研究的是超大分子.
还有其他提高化学影响力的途径.在生物学论
文和许多合成化学论文中,一些关键性的基础化学
参考资料——对化合物合成方式和性状的描
述——往往退居为补充信息,由于不被人们注意,
也不被认为属于成果之一而备受冷落.化学家认
为,这种引用方式应有所改变.
让化学的影响力抵达全球
国际化学年的一个重要作用是要揭示化学对
科学和整个社会隐而未见的贡献,许多全球性问题
都有待化学家们去求得解决方案.例如,寻找清洁
能源等.英国皇家化学学会称,英国国内生产总值
(GDP)的20%都要归于化学家的工作.
化学是一个成熟的领域.但其令人兴奋的,卓
有成效和具有影响力的日子还远未结束.仅在过去
的几年里,《自然》杂志就发表了化学家的许多尖端
研究文章,有的探讨了新兴材料石墨烯的属性以及
利用DNA纳米技术设计和组装分子机器的实验等,
有的发表了能源储存装置的新材料和改良材料的
细节详情,还有的发表了在氧化反应中使用纳米金
催化材料的详尽细节.支持和帮助了努力开发清洁
与低污染工业生产工艺的化学家的工作.如果化学
真的如桑德勒所说的那样亦好亦坏,那么可以说其
他所有的科学,包括人类的一切活动领域,在很大
程度上也是如此.但是如果从化学好的一面来看,
那是非常非常的好.值得我们大力加以彰显.
[资料来源:NatUre][责任编辑:彦隐]
墨兰:兰I一