从足球到足球烯 这60个碳原子开挂!每克竟价值9.3亿

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2018年06月11日 19:23 | 快科技 消渴

在“世界杯”即将到来之际,人们对世界足球顶尖级赛事充满期待。

而被誉为“足球盛宴”的足球烯,作为20世纪80年代的重大科学发现之一,同样值得期待。

1996年,美英科学家克罗托等三人发现的足球烯荣获了诺贝尔化学奖。

克罗托博士的“足球烯”模型图自网络

足球烯是什么?

碳作为一个大众元素,普通得不能再普通了。在常温下,碳元素很不活泼,也没有华丽的外表。但这并不能说明碳元素不重要,因为朴素不等于无用!

1985年的秋天,对于全人类来说都是一个激动人心的时刻。

美英科学家科尔、克罗托和斯莫利经过一周紧张的工作之后,十分意外地发现了元素碳的一种新的同素异形体——“足球烯”。

“足球烯”是由60个碳原子构成的空心笼状物质,因其在外形上酷似一个足球而得名。

原来,“足球烯”分子是一种由60个碳原子结合形成的稳定分子,它具有60个顶点和32个面,其中12个为正五边形,20个为正六边形,与足球的结构非常相似,称其为“足球烯”也就不足为怪了。

足球与“足球烯” 图自网络

足球烯的学名叫什么?

其实,“足球烯”只是C60的一个通俗叫法,那么它的学名叫什么呢?为了给C60 起一个响当当的名字,它的发现者可是没少费心血哦!

美英科学家克罗托等三人发现美国著名建筑大师巴克明斯特·富勒的网格半球体穹顶结构与这个“纳米足球”十分相像。

因此就根据巴克明斯特·富勒的名字,把C60命名为“富勒烯”,又名“巴基球”或“巴克球”。

富勒的建筑杰作:他发明的网格穹顶为一种由四面体框架构成的自我支撑的半球体

“富勒烯”家族还有许多成员,它们都是20世纪80年代的重大科学发现之一,具有十分重要的科学意义。

这些神奇的全碳分子及其衍生物质,由于具有特殊的组成结构而显示出许多新颖奇特的物理化学性质。

“足球烯”家族成员 图自网络

本是同碳生,缘何各不同?

“足球烯”作为一种令世界震撼的“新形态碳”,极大地丰富了人们对于碳元素的认识。

然而,为什么同样是由碳原子组成的物质,有的硬如顽石,有的软如泥块,还有的美丽无比……

《富勒烯的物理及化学》封面

科学家已经发现,由碳元素组成的物质主要有金刚石、石墨、C60(足球烯)等单质。

它们之所以具有如此大的性能差异,原来是由于它们具有不同原子模型的缘故。

纯净的金刚石是无色透明的正八面体形状的固体,现在已经发现它是天然存在的最硬的物质。

原来,金刚石的原子是交错排列的,每一个碳原子都紧密地与其它4个碳原子直接连接,从而形成了一个牢固的立体结构,因而它就显得十分坚硬了。

金刚石结构示意图

金刚石经过琢磨后可能闪烁出耀眼的光芒,因此可以用来制作价格昂贵的钻石装饰品。

同时,金刚石还可用来制作钻头、钻凿岩石、裁割玻璃以及切割大理石等。

石墨是一种深灰色的具有金属光泽而不透明的细磷片状固体,就目前所知它是自然界中最软的矿石。

原来石墨中的碳原子是一层一层排列的,虽然每一层的碳原子结合得非常紧密,但层与层之间的结合力却非常地弱。

石墨结构示意图

因此,石墨在层间非常容易发生断裂,从而表现出较软的性质,如具有滑腻感、熔点较高、容易导电等优良的性能,常可用干电池的电极或高温作业下的润滑剂。

尽管“富勒烯”与金刚石、石墨同属于碳元素组成的单质,但“富勒烯”特殊的结构特点决定了其具有特殊的物理化学性能。

如C60球形刚性分子具有很高的抗压强度,C60可以溶解于苯等非极性溶剂中,碱金属掺杂的C60具有良好的超导性,而过渡金属C60化合物则表现出较好的氧化还原性能。

“足球烯”模型

C60具有稳定的分子结构,但又具有一定的反应活性。

据悉,C60能够进行加成反应、配位反应、周环反应等。

并且,C60与环糊精、环芳烃形成的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用。

据悉,在高压条件下C60可以转变为金刚石,这无疑于开辟了金刚石合成的新途径。

同时,C60的中空球形结构使其在内外表面都可以进行化学反应,从而得到具有特殊功能的C60衍生物。

“足球烯”续写碳素传奇

碳元素作为地球宇宙微粒的主要构成元素之一,在地球生命的演化过程中发挥了极其重要的作用。

在地球上,碳是一切生命的基础。地球上已知的生物大多数为碳基生物,即以碳元素为有机物质基础的生物。

碳元素是自然界中存在形式最为复杂的一种元素,其特有的共价键结合形式成就了种类繁多、功能奇特的有机物。

由于碳具有很高的成键能力,并且具有许多独特的性能,使其有资格成为太阳能的主要化学能源载体。

科学家认为,氨基酸和核苷酸是生命的基本单元,而氨基酸和核苷酸又都是以碳链为骨架构造而成的。

伴随着碳链的延长,氨基酸和核苷酸则进一步演变成为了蛋白质和核酸,这是原始生命诞生的基础,也是人类诞生必然经历的过程。

科学家认为,富勒烯家族的其它成员也极有可能具有超导性。如电子掺杂的C60最高转换温度为40K,而电子掺杂的C70的转换温度为7K。

据悉,英国的研究者正在开发能用于原子钟的内嵌富勒烯,这是目前世界上最为昂贵的一种新材料,每克的价值大约为1.45亿美元,换算成人民币就是9.3亿元。

当“富勒烯”内嵌氮原子时,由于它们电子自旋的寿命非常长,因此具有改变我们计时方式的潜力,并有望把原子钟安装在手机内的芯片上。

“足球烯”变成了“球形容器”

科学家正在尝试打开足球烯的“球门”,从而把某些原子或离子搀杂进去,这样“足球烯”就可以成为一个特殊的球形容器了,并有望在宇宙化学、超导领域、材料科学以及医学领域获得非凡应用。

碳纳米管也是一种典型的“富勒烯”,是一种具有管状结构的碳原子簇。

根据理论计算,碳纳米管纤维的强度为钢的100倍,而质量却只有钢的七分之一。

碳纳米管结构示意图

碳纳米管还具有极强的储气能力,可以应用于燃料电池的储氢装置上。

如果把碳纳米管制作成碳纤维,那么一定会是一种十分理想的轻质高强度材料。

“富勒烯”原子团簇及其衍生物有望在生命化学、有机化学、材料化学、无机化学、高分子科学、催化化学等许多领域获得重要应用,并深刻影响人类社会的许多方面。

有科学家认为,富勒烯还将为研究抗癌药物提供潜在的线索,并在超导体、耐磨润滑材料、催化剂载体、高能电池材料、医学影像剂以及抑制病毒等方面具有广阔的应用前景。