物理学专题研究作业——富勒烯

富勒烯（Fullerene) 是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。1985年Robert Curl等人制备出了C60。1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即[60]富勒烯分子，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为巴克明斯特·富勒烯。饭岛澄男早在1980年之前就在透射电子显微镜下观察到这样洋葱状的结构。自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科学家们通过史匹哲太空望远镜发现在外太空中也存在富勒烯。

在富勒烯的发现之前，碳的同素异形体的只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和炭），它的发现极大地拓展了碳的同素异形体的数目。巴基球和巴基管独特的化学和物理性质以及在技术方面潜在的应用，引起了科学家们强烈的兴趣，尤其是在材料科学、电子学和纳米技术方面。


历史：
早在1965年，二十面体C60H60被认为是一种可能的拓扑结构。[2] 20世纪60年代科学家们对非平面的芳香结构产生了浓厚的兴趣，很快就合成了碗状分子碗烯（Corannulene）。[3]日本科学家大泽映二在与儿子踢足球时想到，也许会有一种分子由sp杂化的碳原子组成，比如将几个碗烯拼起来的共轭球状结构，实现三维芳香性。[4]他开始研究这种球状分子，不久他得出这种结构可以由截去一个二十面体的顶角得到，并称之为截角二十面体，就像足球的拼皮结构那样；他还预言了CnHn分子的存在。大泽虽然在1970年就预言了C60分子的存在，但遗憾的是，由于语言障碍，他的两篇用日文发表的文章并没有引起人们的普遍重视，而大泽本人也没有继续对这种分子的研究，因而使得C60的发现已经是15年以后的事了。
1970年汉森（R. W. Henson）设计了一个C60的分子结构，并用纸制作了一个模型。然而这种碳的新形式的证据非常弱，包括他的同事都无法接受。因此这个结果并没有发表，不过《碳》期刊在1999年确认了这个结果。富勒烯的第一个光谱证据是在1984年由美国新泽西州的艾克森实验室的罗芬（Rohlfing），考克斯（Cox）和科多（Kldor）发现的，当时他们使用由莱斯大学理查德·斯莫利设计的激光汽化团簇束流发生器，用激光

汽化蒸发石墨，用飞行时间质谱发现了一系列Cn（n=3，4，5，6）和C2n（n>=10）的峰，而相距较近的C60和C70的峰是最强的不过很遗憾，他们没有做进一步的研究，也没有探究这个强峰的意义。1985年，英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国赖斯大学的科学家理查德·斯莫利、海斯（James R. Heath）、欧布莱恩（Sean O'Brien）和科乐（Robert Curl）等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60。富勒烯的主要发现者们受建筑学家巴克敏斯特·富勒设计的加拿大蒙特利尔世界博览会球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为巴克明斯特·富勒烯（buckminster fullerene），简称富勒烯（fullerene）。为此，克罗托、科尔和斯莫利获得了1996年度诺贝尔化学奖。在1990年前，关于富勒烯的研究都集中于理论研究，[5]因为没有足量的富勒烯用于实验，直到1990后，哈夫曼（Donald Huffman），克拉策门（Wolfgang Kr?tschmer）和福斯迪罗伯劳斯（Konstantinos Fostiropoulos）等人第一次报道了大量合成C60的方法，才使得C60的研究得以大量展开。富勒烯的纯化对于化学家们是一个挑战，同时也在很大程度上决定了富勒烯的价格。内嵌富勒烯是指在生成富勒烯的过程中将离子或小分子包到碳笼中。富勒烯的化学反应很特别，例如1993年发现的Bingel反应等。碳纳米管在1991被发现。
C60在甲苯溶液中的紫外-可见吸收谱。浓度:0.052mmol/L。测试仪器：JASCO V570。


应用：
护肤品

由于富勒烯能够地亲和自由基，因此个别商家将水溶性富勒烯分散于化妆品，但是效果一般且价格昂贵。
多元体研究

富勒烯衍生物与卟啉、二茂铁等富电子基团共价或非共价形成多元体，用于研究分子内能量、电荷转移、光致能量和电荷转移。
有机太阳能电池

主条目：有机太阳能电池
自1995年俞刚博士将富勒烯的衍生物PCBM（[6,6]-phenyl-c61-butyric acid methyl ester，简称PC61BM或PCBM）用于本体异质结有机太阳能电池以来，有机太阳能电池得到了长足的发展，其中有三家公司已经将掺杂PCBM的有机太阳能电池商用，迄今大部分有机太阳能电池以富勒烯做为电子受体材料。



物理性质的应用

润滑剂和研磨剂C60具有特殊的圆球形状，是所有分子中最圆的分子；另外，C60的结构使其具有特殊的稳定性。在分子水平上，单个C60分子是异常坚硬的，这使得C60可能成为高级润滑剂的核心材料。C60分子一出世，就有人提议用它来作“分子滚珠”，制成润滑剂。将C60完全氟化得到的C60F60是一种超级耐高温材料，这种白色粉末状物质是比C60更好的优良润滑剂，

可广泛应用于高技术领域。另外，C60分子的特殊形状和极强的抵抗外界压力的能力使其有希望转化成为一类新的超高硬度的研磨材料。一种有希望的方法是将C60直接转化为金刚石，这可通过在室温下加高压来实现。1992年初，法国格雷诺布尔（Grenoble）低温研究中心的雷古埃罗等人在英国《自然》杂志上报道，通过在室温下对C60分子施以压强达200亿帕的快速非静压，可将其瞬间转化为大量人工钻石晶体。雷古埃罗等已为这种由C60快速有效生产金刚石的方法申请了专利，这使得C60可作为一种研磨材料而具有潜在应用价值，人们可以采用爆炸或其他冲击波的方法对富勒烯施加高压，生产出符合工业标准的低成本金刚石。
CVD金刚石膜
富勒烯的另一潜在的应用是它们可作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置而起重要作用。富勒烯材料的独特性质之一是它们在较低温度下升华，对于C60，其升华点大约是600℃，这使得富勒烯在不规则形状表面上的气体沉积覆盖相对来说很容易实现。另外，由于富勒烯易溶于像苯和甲苯这样的极性有机分子溶剂，因而可以在室温下将复杂表面直接浸于制备好的溶液中，待溶剂挥发后就留下一层富勒烯分子薄膜。
1992年，美国西北大学的一个研究小组声称他们发现了一种用富勒烯结晶出金刚石薄膜的简单方法。他们使用包含C70分子的富勒烯，先在硅表面形成富勒烯薄层，然后用带电粒子轰击它，导致有利于金刚石形成的分子结构，使用化学气相沉积（CVD）方法，通过天然气与氢气的混合气体，形成许多微小的金刚石。科学家预测，对这种方法加以改进也许能够生长出电子应用中所需要的类似大块单晶的金刚石薄膜，这将使得生长金刚石单晶的梦想成为现实。据说在多晶体生长中，C70的应用使得在硅表面衬底上金刚石的生成提高了10个量级。
金刚石薄膜在军事方面具有许多应用价值，如作为装甲车表面的抗冲击覆盖层，用于制成光学（X射线，粒子束）窗口，半导体晶片，高硬度表面齿轮，金刚石-纤维合成材料，以及高温和防辐射电子器件等。
高强度碳纤维
1991年日本电气公司的饭岛发现了一种管状碳——巴基管，巴基管具有独特的几何结构和奇妙的导电性质，同时具有高抗张强度和高度热稳定性。巴基管的这种特殊的电学和机械性能使其具有巨大的应用价值。高性能纤维对于要求很高的强度-重量比的结构设计产生了革命性的影响，尤其是在需要耐高温，或者在能控制材料的电磁性能的应用领域。目前的石墨纤维已具有很高的强度、很强的柔韧性以及耐高温性能。巴基管材料具有高度的热稳定性和易变性，而且比

目前的碳素纤维具有更大的抗张强度，加之其导电性能可由其结构加以调节，因而巴基管是一种比石墨纤维性能更优越的碳纤维，甚至还可能发展出强度更高、更轻巧的结构，这样使得巴基管可能在电子器件和航空、航天等空间技术领域具有巨大的应用价值。
1993年，日本电气公司基础研究室的艾贾安和饭岛在细微的巴基管中填入了铅，从而制成了迄今世界上最细的丝，这种丝只有两三个原子那么粗，具有纳米尺度。有人推测这种巴基细丝可能在电子器件制造上得到应用。理论计算表明，巴基管可吸附大小适合其内径的任意分子。科学家希望通过改变石墨层片卷曲成管的方式等方法调节巴基管的直径，使其有选择性地吸收分子，从而改变其电子及机械性能。科学家正试图制成单晶巴基管，并用巴基管造出分子水平的微型零件用于医学或其它目的。富勒烯作为一种潜在的新碳素材料已得到普遍重视，其应用领域也将不断开拓。
高能轰击粒子
C60能够得到或失去电子形成离子，带电巴基球可以用作物理碰撞的高能轰击粒子。1992年9月，法国奥塞（Or-say）核物理研究所与厄普撒拉（Uppsala）大学的研究人员用线性加速器将C60离子加速至具有近5000万电子伏的能量。由于C60离子的质量和体积均较大，高能C60离子束轰击固体靶时不能穿透固体，而是停留在表浅的位置，从而将大量的能量施放在固体表面，可以使固体在加速的同时获得巨大的能量，有助于研究高能离子轰击固体靶时产生的物理变化。C60离子轰击实验开创了物理碰撞研究的新领域.另外，C60离子束还有可能在分子束诱发核聚变的研究中得到应用。
富勒烯及其衍生物物理性质的应用是多方面的。早在1991年，阿莱芒等人发现C60络合物可以在没有金属存在的情况下表现出铁磁性特征，从而有希望开拓磁性记忆材料的一个新方向。用C60还能在CaAs晶体基质上制成C60-K3C60异质结膜，并可将其用于微电子器件等方面。随着研究的深入，富勒烯独特的物理性质将为其应用开辟一个广阔的