115383-22-7 / 富勒烯比金剛石硬

背景

有規則、具對稱性的幾何圖形總是迷人，引人遐思。古希臘人以正四面體、立方體、正八面體、正十二面體，以及正二十面體分別代表組成宇宙萬物的 元素火、土、氣、水和組成天上物質的以太，統稱為柏拉圖固體。開普勒也曾突發靈感，提出由五個柏拉圖固體的內外切線組成的宇宙模型，認為這幾個內外切球半徑的比例就是當時已知六個行星軌道的比例， 而稱頌它是上帝在天上的偉大杰作。

富勒烯( Fullerene)是一種單質碳元素構成的同素異形體。由一種元素碳的五元環和六元環組成，以球狀或橢圓狀結構存在的物質，都可以被叫做富勒烯，穩定存在的富勒烯必須滿足獨立五元環規則。

故事源自英國薩賽克斯大學的克羅托（Sir Harold Walter Kroto），他主要研究微波頻譜學，用以分析太空星球大氣層及星際氣云的成分。當時他對碳含量高的巨星深感興趣，在分析其大氣譜線時，他發現可將 其歸因于氰基多炔烴，這是一種由碳和氮組成的長鏈分子，同樣的分子也出現于星際氣云中。克羅托認為這些碳化合物源自星球大氣，而非星際氣云，所以希望對這類長鏈分子的形成機制做進一步的研究。

1984年復活節，克羅托到美國萊斯大學訪問科爾 （Robert F. Curl, Jr.），科爾建議克羅托參觀他同事暨 研究伙伴斯莫利（Richard E. Smalley）所研發出的一 套激光 - 超音速團簇束儀器（圖 1），可以將物質蒸發為原子氣體，進而形成數十個原子聚合在一起的團簇。克羅托認為這套儀器或可用以仿真星球大氣中的化學環境，以提供長鏈碳化合物會在星球大氣高溫區域形成的證據。他向科爾解釋此想法，科爾提議大家一起合作研究。

圖1 激光- 超音速團簇束儀。脈沖激光聚焦在石墨盤上，將碳原子打出，混入經小孔噴進的超音速、高密度氦氣流束，形成碳團簇進入收集杯，再讓其向外膨脹（克羅托提供修改而成）

富勒烯的研究在霍夫曼與克列斯默找出可以大量制造的合成方法后，研究成果突飛猛進，例如發現與 富勒烯結構類似的碳納米管，具有熱與電的良導性與 驚人的抗張強度等。做為繼鉆石與石墨之后的第三種碳物質，富勒烯的研究已成為化學的一個領域，它的應用價值有賴科學家進一步的探討與努力。

圖2 “截角正二十面體”模型

富勒烯和金剛石

都是碳元素的同素異形體，表現出完全不一樣的物理性質。俄羅斯研究人員近日發現富勒烯在高溫高壓下可以形成比金剛石還硬的超硬碳材料。這一發現極大地推動了新型超硬碳材料的發展。

物理學家通過模仿基于富勒烯和單晶金剛石的結構，探索出這種新材料獲得超高的硬度的機理。這一發現讓評估超硬材料的潛在制備條件成為可能。該結果發表在Carbon雜志上。

富勒烯通常是在其晶格節點處具有富勒烯分子的分子晶體。富勒烯是碳元素形成的一種球形同素異形體。早在30年前，富勒烯就被首次合成出來并一舉獲得了諾獎。球形的富勒烯可以有多種組裝方式，并且材料的硬度很大程度上決定于富勒烯分子之間的組裝方式。由俄羅斯科學院生物化學物理研究所(FSBSI TISNCM, Moscow, Troitsk)的Leonid Chernozatonskii教授領頭和來自莫斯科物理技術學院(MIPT)，斯科爾科沃科技學院(Skoltech)，國立科技大學(MISIS)和聯邦國家預算科學研究院超硬和新型碳材料科技研究所的一群科學家，設法解釋為什么富勒烯能成為超硬材料。

物理及數學專業在讀生，文章的主要作者Alexander Kvashnin說：“當我們開始討論這個想法時，我正在TISNCM工作。在1998年，由Vladimir D. Blank領頭的一群科學家獲得了基于富勒烯的新材料——超硬富勒烯。測試結果表明，這個新材料可以在金剛石上刻畫，也就是說，它實際上要比金剛石還硬。”

其實得到的這種材料并不是單晶，它其中包含了無定形碳和3D-聚合的C60分子，但是它的晶體結構卻尚未完全確定。富勒烯分子具有優異的機械剛性。與此同時，富勒烯晶體在正常的條件下是非常柔軟的材料，但是在一定壓力下可以成為比金剛石還硬的材料（由于3D聚合反應）。雖然這種材料已經合成并研究了20余年，但現在仍然不知道它成為超硬材料的原因。

我們知道，在壓縮的狀態下材料的彈性和機械性能將會增大。金剛石將會作為一個保持壓縮狀態的富勒烯的殼，并且保存了所有屬性。在該研究中，他們首先分析了1nm厚的金剛石殼，其中內部包含2.5nm富勒烯的小模型。然而，這種小模型與實驗數據并不相符。隨后，研究人員開始對復合材料進行建模，在金剛石殼的厚度不變時，將其中富勒烯的尺寸增加到15.8nm。X射線衍射光譜的變化表明，富勒烯尺寸的增加使得光譜更接近實驗數據。在比較光譜之后，假定在實驗中最可能發生的是，當模型對內部含有富勒烯的金剛石處理時，已經獲得了內部具有流體靜力學的壓縮富勒體的無定形碳介質。根據計算的光譜，新模型與實驗數據非常相符。

物理及數學專業博士，項目負責人Pavel Sorokin說：“開發的模型將幫助我們理解這一獨特性質的本質，并且能夠幫助我們系統地合成出新型的超硬碳材料，以及有助于推動這個有前途的科學領域的進一步發展。”

富勒烯本身并不堅硬，其體積模量比金剛石的1.5倍還小。但是當它被壓縮的時候，其體積模量迅速增大。為了保持這種增強的體積模量，富勒烯應該總是保持這種被壓縮的狀態。通過使用模擬結果，科學家可以通過精確的實驗獲得超硬材料。