视觉 化学

高压之下做做戏法

庄小哥 发表于  2011-01-19 11:00

碳家族多少年来都风光无限,受到了各路科学人士的青睐有加,且不说生物学家们毕其一生都在碳基生命的各种问题里打滚,而材料物理学家更是努力不懈以它为基础作出各种性能性质的探索,从最滑软的石墨,到最坚硬的钻石,从含有碳元素的有机物,到其他元素和碳以各种方式化合而成的无机物,无不挖掘到极致。

上个世纪八十年代,一种含有60个碳原子的分子被发现,这种结构酷似足球的玩意儿既长得好看又显示出了无限的应用潜能,立刻成为了领域内的关注焦点,针对它的各种探测研究层出不穷。其实你可能早就听说过俗名叫足球烯的它,但也许不知道一点,足球烯C60可不是独孤求败,这一派系除了它以外还有不少角儿,因为在参透了造型法则之后自有人会去cosplay,下面这张图中从左到右展示的分别是C24、C28、C32、C50、C60和C70的模型(要知道现实世界中它们都已经被造出来了)。怎么样?看上去是不是很拉风?

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C60被发现后没几年,又有一种叫做碳纳米管的东西被发现了,它也很好玩,想象一下,这是类似于我们平常所吃的蛋卷那样的造型,只不过,做成这个卷的不是面粉加蛋经烘焙,却是很多碳原子两两之间以共价键形成许多六边形,一大片六边形卷起来一个圆筒。碳纳米管长得也蛮好玩的——

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讲到此处,我要问了,你有没有想过,把C60和碳纳米管合二为一会得到什么呢?

那就是一种叫做“豆荚”的东西啦。豆荚大家都看过甚至吃过吧,长长的外壳鼓囊囊的,打开以后里面有一个个小豆子。

下图展示了一个“碳纳米管+足球烯”型豆荚是怎么装出来的过程——

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看起来也蛮简单的,但在实际操作中也并非那么简单,特别是,吉林大学超硬材料研究室的刘冰冰教授采用的是一种气相扩散方法将C60分子填充到单壁碳纳米管中,作出了相当“充实”的豆荚形纳米材料,填充率达到了80%以上,也就是说,完成了相当于这样的一件任务——

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然后就得到了——

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通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)拍照,证明了他们得到的“豆荚”中,豆粒儿的确是非常高的——

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理论计算和实验的结果都表明,填充了C60分子的碳纳米管,有多方面性能的提升,比如更强的机械性能、较高的超导温度、更好的化学稳定性等。而事实上刘教授的工作不仅于此,由于一直以来从事的是高压材料物理性能的研究,所以她想到了把这些根豆荚放到金刚石对顶砧装置下,以21.5GPa逼近地心的压力去观察它会产生啥奇妙性质,而在之前,尽管有人想到过用高压的办法,却没有想到过用高压+紫外线的办法去,所以就这个意义上而言也算独此一家啦。高压下,C60分子之间有可能形成共价键,进一步形成二聚、一维链状相聚合,甚至聚合成二维、三维结构,聚合后在物性和化性上,都表现出吸引人的变化,简单来说就是更硬更强更能耐。因为这些高压物理方面取得的突破,刘冰冰获得了2011年欧莱雅“中国青年女科学家奖”。

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此外C60分子内还可以填充一些其他原子,引进各种性质,这种包裹比起豆荚来又是另一番应用,所以碳家族还真是新生不断、未来无极限。让我们期待吧!

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全部评论(22)
  • 1楼
    2011-01-19 11:09 老猫 分子生物学准博士,天文爱好者

    貌似挺有趣的,喵,怎么看都像Buckyballs啊。

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  • 2楼
    2011-01-19 11:09 Kenny 果壳谋杀站编辑

    木有沙发了= = buckyballs是啥

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  • 3楼
    2011-01-19 11:12 天蓝提琴 创客,机器人爱好者
    引用 Kenny 的回应:木有沙发了= = buckyballs是啥

    巴克球,一种圆形小磁珠做成的玩具

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  • 4楼
    2011-01-19 11:27 SILENTGHOST 果壳爱宠站编辑

    比较喜欢巴基球

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  • 5楼
    2011-01-19 11:28 居尚 物理达人

    一直觉得C60很神奇……小型足球……

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  • 6楼
    2011-01-19 11:30 0.618 果壳网心事鉴定组编辑,科学松鼠会成员

    c 族神马的最喜欢啦!

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  • 7楼
    2011-01-19 11:53 冰糖大 果壳网策划主编

    c60于老子真是颇有渊源

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  • 8楼
    2011-01-19 12:58 V小姐

    比起碳家族,冰冰家族也很强大.....

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  • 9楼
    2011-01-19 13:41 XX光
    引用 V小姐 的回应:比起碳家族,冰冰家族也很强大.....


    话说最近中国青年女科学家奖各种强人出现啊

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  • 10楼
    2011-01-19 15:03 TechB 果壳科技与商业站编辑
    引用 勒涩光 的回应:引用 V小姐 的回应:比起碳家族,冰冰家族也很强大.....话说最近中国青年女科学家奖各种强人出现啊

    个人感觉王红艳老师最强,开辆奔驰好像都从来不洗的。

    [0] 评论
  • 11楼
    2011-01-19 15:19 CriticizeR

    欧莱雅“中国青年女科学家奖 ..
    ------------
    欧莱雅 ... 我雷了个去...

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  • 12楼
    2011-01-19 17:07 招福的耳朵

    哈~支持一下母校的项目~

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  • 13楼
    2011-01-19 17:12 BlackCat

    到底也没明白有啥实际作用

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  • 14楼
    2011-01-19 21:08 笑笑虫

    说实话,这个给人感觉很怪。你瞧。到现在唯一,C60球好像只有被几个票友做成算盘珠子。一点工业产品都牟有。

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  • 15楼
    2011-01-20 09:18 bossxp

    很神奇,就是不知道应用在哪里。

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  • 16楼
    2011-01-25 16:52 Micro

    眼睛有点花,不过碳族的东东好像都值得搞一搞。

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  • 17楼
    2011-01-25 16:58 食人妖萨满
    引用 TechB 的回应:引用 勒涩光 的回应:引用 V小姐 的回应:比起碳家族,冰冰家族也很强大.....话说最近中国青年女科学家奖各种强人出现啊个人感觉王红艳老师最强,开辆奔驰好像都从来不洗的。


    = =

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  • 18楼
    2011-01-25 17:01 残基A

    这个戏法有点真 很逼真

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  • 19楼
    2011-01-25 17:02 sloth

    ……

    引用 食人妖萨满 的回应:引用 TechB 的回应:引用 勒涩光 的回应:引用 V小姐 的回应:比起碳家族,冰冰家族也很强大.....话说最近中国青年女科学家奖各种强人出现啊个人感觉王红艳老师最强,开辆奔驰好像都从来不洗的。
    ......
    [0] 评论
  • 20楼
    2011-01-25 17:09 三米大叔

    好玩 C60分子内还可以填充一些其他原子

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  • 21楼
    2011-01-25 17:17 神马奖

    开发个玩具出来,给青少年也来点贡献

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  • 22楼
    2011-04-18 20:29 无双乐仔

    这句话:高压下,C60分子之间有可能形成共价键,进一步形成二聚、一维链状相聚合,甚至聚合成二维、三维结构,聚合后在物性和化性上,都表现出吸引人的变化,简单来说就是更硬更强更能耐。

    怎么觉得没有得出什么结论啊。
    C60中12个五边形中占优势的杂化轨道是sp3, 这可能使C60转变成金刚石更容易啊。而且 C60 球体的紧密排布(60个碳原子中48个院子有一个似四面体的配位排布)在空间上相当接近金刚石的原子排布结构,这暗示了院子微小的重排能够导致结构的变化。

    等静压条件下,当环境压力达到20GP时, C60仍然稳定,看文章也没有说在高压深处引进什么能触发非等静压的因素,得到什么了,亚稳相?

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庄小哥
庄小哥 高分子化学与物理硕士,科学松鼠会成员

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