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有規(guī)則、具對(duì)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(wàn)物的 元素火、土、氣、水和組成天上物質(zhì)的以太，統(tǒng)稱為柏拉圖固體。開普勒也曾突發(fā)靈感，提出由五個(gè)柏拉圖固體的內(nèi)外切線組成的宇宙模型，認(rèn)為這幾個(gè)內(nèi)外切球半徑的比例就是當(dāng)時(shí)已知六個(gè)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(zhì)碳元素構(gòu)成的同素異形體。由一種元素碳的五元環(huán)和六元環(huán)組成，以球狀或橢圓狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯，穩(wěn)定存在的富勒烯必須滿足獨(dú)立五元環(huán)規(guī)則。
故事源自英國(guó)薩賽克斯大學(xué)的克羅托（Sir Harold Walter Kroto），他主要研究微波頻譜學(xué)，用以分析太空星球大氣層及星際氣云的成分。當(dāng)時(shí)他對(duì)碳含量高的巨星深感興趣，在分析其大氣譜線時(shí)，他發(fā)現(xiàn)可將 其歸因于氰基多炔烴，這是一種由碳和氮組成的長(zhǎng)鏈分子，同樣的分子也出現(xiàn)于星際氣云中?？肆_托認(rèn)為這些碳化合物源自星球大氣，而非星際氣云，所以希望對(duì)這類長(zhǎng)鏈分子的形成機(jī)制做進(jìn)一步的研究。
1984年復(fù)活節(jié)，克羅托到美國(guó)萊斯大學(xué)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(fā)出的一 套激光 - 超音速團(tuán)簇束儀器（圖 1），可以將物質(zhì)蒸發(fā)為原子氣體，進(jìn)而形成數(shù)十個(gè)原子聚合在一起的團(tuán)簇。克羅托認(rèn)為這套儀器或可用以仿真星球大氣中的化學(xué)環(huán)境，以提供長(zhǎng)鏈碳化合物會(huì)在星球大氣高溫區(qū)域形成的證據(jù)。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(tuán)簇束儀。脈沖激光聚焦在石墨盤上，將碳原子打出，混入經(jīng)小孔噴進(jìn)的超音速、高密度氦氣流束，形成碳團(tuán)簇進(jìn)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(jìn)，例如發(fā)現(xiàn)與 富勒烯結(jié)構(gòu)類似的碳納米管，具有熱與電的良導(dǎo)性與 驚人的抗張強(qiáng)度等。做為繼鉆石與石墨之后的第三種碳物質(zhì)，富勒烯的研究已成為化學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域，它的應(yīng)用價(jià)值有賴科學(xué)家進(jìn)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(xiàn)出完全不一樣的物理性質(zhì)。俄羅斯研究人員近日發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了新型超硬碳材料的發(fā)展。
物理學(xué)家通過模仿基于富勒烯和單晶金剛石的結(jié)構(gòu)，探索出這種新材料獲得超高的硬度的機(jī)理。這一發(fā)現(xiàn)讓評(píng)估超硬材料的潛在制備條件成為可能。該結(jié)果發(fā)表在Carbon雜志上。
富勒烯通常是在其晶格節(jié)點(diǎn)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(lái)并一舉獲得了諾獎(jiǎng)。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(xué)院生物化學(xué)物理研究所(FSBSI TISNCM, Moscow, Troitsk)的Leonid Chernozatonskii教授領(lǐng)頭和來(lái)自莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(MIPT)，斯科爾科沃科技學(xué)院(Skoltech)，國(guó)立科技大學(xué)(MISIS)和聯(lián)邦國(guó)家預(yù)算科學(xué)研究院超硬和新型碳材料科技研究所的一群科學(xué)家，設(shè)法解釋為什么富勒烯能成為超硬材料。
物理及數(shù)學(xué)專業(yè)在讀生，文章的主要作者Alexander Kvashnin說(shuō)：“當(dāng)我們開始討論這個(gè)想法時(shí)，我正在TISNCM工作。在1998年，由Vladimir D. Blank領(lǐng)頭的一群科學(xué)家獲得了基于富勒烯的新材料——超硬富勒烯。測(cè)試結(jié)果表明，這個(gè)新材料可以在金剛石上刻畫，也就是說(shuō)，它實(shí)際上要比金剛石還硬。”
其實(shí)得到的這種材料并不是單晶，它其中包含了無(wú)定形碳和3D-聚合的C60分子，但是它的晶體結(jié)構(gòu)卻尚未完全確定。富勒烯分子具有優(yōu)異的機(jī)械剛性。與此同時(shí)，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(yīng)）。雖然這種材料已經(jīng)合成并研究了20余年，但現(xiàn)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(tài)下材料的彈性和機(jī)械性能將會(huì)增大。金剛石將會(huì)作為一個(gè)保持壓縮狀態(tài)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(nèi)部包含2.5nm富勒烯的小模型。然而，這種小模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不相符。隨后，研究人員開始對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行建模，在金剛石殼的厚度不變時(shí)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在比較光譜之后，假定在實(shí)驗(yàn)中最可能發(fā)生的是，當(dāng)模型對(duì)內(nèi)部含有富勒烯的金剛石處理時(shí)，已經(jīng)獲得了內(nèi)部具有流體靜力學(xué)的壓縮富勒體的無(wú)定形碳介質(zhì)。根據(jù)計(jì)算的光譜，新模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常相符。
物理及數(shù)學(xué)專業(yè)博士，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Pavel Sorokin說(shuō)：“開發(fā)的模型將幫助我們理解這一獨(dú)特性質(zhì)的本質(zhì)，并且能夠幫助我們系統(tǒng)地合成出新型的超硬碳材料，以及有助于推動(dòng)這個(gè)有前途的科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。”
富勒烯本身并不堅(jiān)硬，其體積模量比金剛石的1.5倍還小。但是當(dāng)它被壓縮的時(shí)候，其體積模量迅速增大。為了保持這種增強(qiáng)的體積模量，富勒烯應(yīng)該總是保持這種被壓縮的狀態(tài)。通過使用模擬結(jié)果，科學(xué)家可以通過精確的實(shí)驗(yàn)獲得超硬材料。