化学

富勒烯,一种新的碳形式

C60分子“ footballene”的发现为纳米科学的整个领域拉开了序幕。今天的丰收包括纳米管和石墨烯。

安尼克·洛索(Annick Loiseau) 科学N°481
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富勒烯

在自然界中,碳以两种众所周知的固态结晶形式存在:石墨和金刚石。石墨是一种易碎的黑色矿物,已经使用了多个世纪来书写(印度墨水,铅笔)。相反,钻石是透明的矿物,是最坚硬的天然材料。

1985年,这种情况被彻底颠覆了:英国同事Harold Kroto和美国人Richard Smalley和Robert Curl在同年发现了一种新的碳组织形式,即C分子。60,并因此获得了1996年的诺贝尔化学奖。这是1980年代初开始的研究成果,目的是更好地了解星际空间中长碳链的形成机理。

这些研究导致他们使用激光汽化石墨,并在形成的烟灰中鉴定出由60个碳原子组成的非常稳定的分子,这些分子排列在0.7的规则多面体的顶部纳米直径,其刻面为20个六边形和12个五边形。这个分子令人无法抗拒地让人联想到足球,并被称为足球运动员(buckminsterfullerene),以美国建筑师巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)为在加拿大举行的全球展览而建造的圆顶作为参照。

还发现了较大的笼状分子:C70 然后C76,VS78等它们总是由12个五边形组成,但是有更多的六边形。所有这些分子开创了称为富勒烯的家族。

这些实验的结果是,1997年在天然矿物,菱铁矿中发现了富勒烯,2010年在行星状星云中发现了富勒烯,从而验证了1980年代开始的实验方法。对它们的化学性质,导电性和润滑性进行了研究和使用,特别是在制药,化妆品或电子领域。

此时,您可能认为故事已经结束。实际上,正如我们将看到的,它才刚刚开始,因为富勒烯的发现为新型的碳基和低维材料开辟了道路,这对纳米科学非常感兴趣。

继Kroto和他的同事的初步实验之后,德国的WolfgangKrätschmer和美国的Donald Huffman于1990年开发了一种C的合成方法60 易于使用,这使得可以快速产生研究材料物理化学特性所需的数量。

但是,该过程的范围要比该目标大得多。确实,在1991年,日本物理学家饭岛住男(Sumio Iijima)曾好奇地在电子显微镜下观察到合成的副产物,它看起来像是坚硬的丝状微黑沉积物。因此,他发现了碳纳米管,末端封闭的管状物体,并由结晶的碳制成。它们的直径为1至5纳米的数量级,长度有时达到几十厘米。与富勒烯相比,该“长宽比”使它们成为一维(1D)对象,而富勒烯在微米级及更高级别是无量纲(0D)对象。

与石墨相比,纳米管具有独特的结构。石墨由一堆平面组成,每个平面都构成“石墨烯”:一个平面和六边形的规则网络,其顶点被碳原子占据(关于C分子的六边形)60)。

对于碳纳米管而言,亲子关系甚至更为明显,这相当于在其自身上卷起的一片石墨烯。缠绕角是主要性质,其决定了电荷载流子的性质并使纳米管具有金属或半导体特性。结果,纳米管具有非常广泛和非常独特的电子,光学,热,化学和机械性能范围。由石墨的碳-碳键,尺寸降低和缠绕角产生的性能。

维数0、1或2

更普遍地,碳纳米管是研究最多的低维结构,并支持了纳米科学基础研究的发展。今天,他们了解许多应用程序,但通常非常专业。如今,在合成过程中难以控制管的结构并限制其性能,这仍然是大规模应用发展的障碍,特别是在电子领域。

对于作为二维(2D)材料的石墨烯,认为在物理上不可能获得稳定形式的这种材料。但是在2004年,康斯坦丁·诺沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·吉姆(Andre Geim)在曼彻斯特大学以非常简单的方式成功地分离了石墨烯,方法是反复机械剥离石墨碎片直到获得单个原子平面( 请参阅第76页)。从理论上,实验上和技术上来说,实验的简单性以及在纳米管上获得的知识使石墨烯的研究得以迅速发展。由于具有二维特性,其特殊的电子特性得到了证明,康斯坦丁·诺沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·吉姆(Andre Geim)获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是新型2D材料的第一个代表,该材料是从层状材料(例如六方氮化硼,过渡金属二卤化碳,“黑磷”,硅石等)中获得的。石墨烯是金属,而这些材料是半导体,其在可见红外范围内的光学特性具有吸引力和独特性。另外,在技术上可以将它们组合起来并获得所谓的异质结构,其异质性取决于所选择的组件。在过去的十年左右的时间里,研究领域迅速发展。

因此,自1985年以来,碳继续使我们惊奇。富勒烯的维数为0,纳米管的维数为1,石墨烯的维数为2……:纳米科学及其应用有很多可赖以生长的东西。

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