富勒烯與碳納米管課件

1、富勒烯及碳納米管負責人：馬長德肪銀漚才寄簇伊甜具底幻焊瘸驕著框怯涵幅鴨霓倪佰敷鉗項系卷操悸宙濫富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德1967年加拿大蒙特利爾萬國博覽會，美國展覽館是由五邊形和六邊形組成拼接構成的圓頂建筑-啟發(fā)，提出了C60的分子結構。因此，他們決定以該展覽館建筑師的名字Buckminster Fuller命名，定為“Buckmister fullerene”, 詞尾ene為英文“烯烴”的后綴，表示C60的不飽和性，簡稱“Fullerene”1967年加拿大蒙特利爾世博會美國館著名建筑學家巴基敏斯特.富勒的作品錐襖滄噬瘍槽屹過八填對陳匪池韌介宮贖

2、瑞孝寐左跺質玖叫辟顧遁鈍魔忻富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德一、 C60一顆璀燦的 “明星分子”1985年C60的發(fā)現(xiàn)是人類對碳認識的新階段，是科學上的重要發(fā)現(xiàn)。C60的發(fā)現(xiàn)使我們了解到一個全新的碳化學世界。從平面低對稱性分子對全對稱的球形分子，從簡單分子到富勒烯籠內包原子的超分子，從一維超導到三維超導，從平面的石墨到一維管狀的碳納米管等方面。由于特殊的結構和性質，C60在超導、磁性、光學、催化、材料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，得到廣泛的應用物理，化學，材料科學，生命及醫(yī)藥科學。特別是1990年以來Kratschmer和Huffman等人制備出克量級的

3、C60，使C60的應用研究更加全面、活躍。 偶挎賬景殊屆漂柑能負淀洼喲牲瞬娜袍禮醬嚙裝依荷譽菱打巖廣噴彥信錳富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德C60的結構富勒烯中的碳原子為SP2雜化，三配位，分子形狀接近球形。閉合的籠狀分子12個五邊形和20個六邊形。五邊形都被六邊形所包圍，而六邊形周圍則是三個五邊形與三個六邊形。形成三維大鍵餓壺瘟醇稻機智咎駕毗草脾庫鉀鵑遲膛堵符供祁陀辜彤顆辣鹽懇椒紐庇章富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯（C60) 是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結構存在的物質

4、，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。糕怪耿宦浪欄裕溪瞻更決蔚蹤謗臘菠幽加北月償紋帛刪率打見敖眨琴傲輾富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德第一個預言C60分子存在的是日本人大澤，在前人工作的基礎上并結合自己的理論研究于1970年和1971年用日文發(fā)表了兩篇關于超芳香碳氫化合物的文章.在他1970年的論文中，大澤描述了二十面體和截角二十面體分子，但他并沒有特別指出是C60。大澤雖然在1970年就預言了C60分子的存在，但遺憾的是，由于語言障礙，他的兩篇用日文發(fā)表的文章并沒有引起人們的普遍重視，而大澤本人

5、也沒有繼續(xù)對這種分子的研究，因而使得C60的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是15年以后的事了 C60的發(fā)現(xiàn)與命名磕疽譚辮厚詠德訛般命膊眺浚牽燃劇從搬溪鵲柯韌斥敦益羌尹煩適滇桑餌富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德 由物理學家們在研究星際塵埃工作中意外得到。 60年代末至70年代初，日本和前 蘇聯(lián)的科學家就各自獨立 的從理論上發(fā)現(xiàn)了C60合適的結構一個由12個正五邊形和20個正六邊形組成的完美的球形結構。 1985，一位來自英國，滿腦子充斥著星際間飄忽塵埃的天文學家克羅托，和兩位對半導體團簇感興趣的美國物理學家斯莫利，科爾走到一起，希望能探討宇宙中長鏈碳分子的形成和光譜。在他們短短

6、幾個星期的合作過程中意外的發(fā)現(xiàn)：在強烈的激光脈沖輻照下產(chǎn)生的碳團簇中， C60具有超常的穩(wěn)定性。鉚汾酵賓垂氫歉燕搖厄苔贏巾傲主敲奮助惱浩酸汾課惹韌休壹菏亥河菱植富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德美國羅伯特F.科爾英國哈羅德W.克羅托理查德E斯莫利The Nobel Prize in Chemistry 1996蝕您惑督舞盯液悟汾臀躇憫疽趟諱鍘廷氈洲靛佳熒垂訖計斤痔沖騰晴朵挨富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德由于C60分子的結構酷似足球，所以又稱為足球烯（Footballene）除C60外，具有封閉籠狀結構的還可能有C2

7、8、C32、C50、C70 、 C84、C240、C540等，統(tǒng)稱為Fullerenes，中文譯名為富勒烯。斜獲街釉謾紛才濰皺鄂揩焙沾侶材曝鳥機揍叔碾均恍死鹽鮮偏攝礎宅從錨富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德球形富勒烯可簡寫為C2n，其中五邊形12個，六邊形n-10個目前發(fā)現(xiàn)最小的富勒烯為C20霖渤稠搗采摳濰灼怒淖乾鼻肛腰嫌賽幾冕鐐梗菊凱胎癥靶驅磅目妻淄樁烈富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德一、以空間結構分球形富勒烯 管狀富勒烯洋蔥狀富勒烯富勒烯的分類腥恍燃枝游福汪稅深旨周漲桶措面貝答技嗡厘乓吃宋青誅野礬遣賣問侗飄富勒烯

8、與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德 富勒烯的性質 它能發(fā)生環(huán)加成反應, 親核、親電加成, 自由基加成, 包合反應, 聚合反應, 光化學反應, 氧化還原反應等. 超導電性 C60，C70本身都是半導體，在1K左右的低溫下， C60，C70都沒有向超導體轉變，將堿金屬（K、Rb等）摻入C60中形成的M3C60化合物具有超導電性，C60K3在18K的溫度下發(fā)生了超導轉變立賊破啦藍穩(wěn)徘透鞘艷郁苞寒序塌坡助催柒湊玲忘蠟騷堆義訣涸胞壬且錳富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德與惰性元素可形成He C60和Ne C60，是惰性氣體唯一形式的化

9、合物。發(fā)光性質 處于真空中的C60是沒有發(fā)光性能的 當C60晶體吸附了一些氣體，或者向C60晶體中參雜某種成分，甚至在C60籠上嫁接一些基團或者有機分子時，使原來不能發(fā)光的C60分子具備了發(fā)光性質勢侖滬唆膠覆丹偏描貪愁埃酥授策遵坊弧甩為邀卡臺傈姥疹鋅攫可藻困朽富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德光聚合特性 由于雙鍵的存在，富勒烯在一定的光照條件下雙鍵被打開，與相鄰的C60分子形成更加穩(wěn)定的共價鍵而發(fā)生了聚合反應豢最馱朗鬃江流劫奪剛桶瞅運雀頂碎典心秤柜誠汛胺牢唇其液宅弓旨瞻基富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德生物活性： 水

10、溶性富勒烯衍生物在生物化學、生物醫(yī)藥和藥物學方面取得了巨大的成功，有些富勒烯衍生物可有望應用于臨床。 分別從理論和實驗上預測和證明了一些水溶性富勒烯衍生物能夠抑制人體免疫缺陷病毒酶。 人類的許多疾病是由于細菌而引起的，已有許多研究表明富勒烯衍生物具有抗菌作用。栽揍代能鋁路襟亦爆娥命澤廂爹蛆曾隔凰貫警哮貉秀廈漢詭笆蠻色丈兇毖富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德C60的應用 摻雜C60的超導體：將堿金屬（K、Rb等）摻入C60中形成的M3C60化合物具有超導電性，其M+處于C60的晶格間隙中。C60F60：C60打開30個雙鍵與氟發(fā)生加成反應生成C60F60，這

11、是一種白色的粉末，耐高溫（約700），可以用作超級固體潤滑劑。因此，C60 F60被稱為“分子滾珠。合成頂端含C60的星型聚乙烯大分子，用作為多電子存儲系統(tǒng)。C60Li： 將金屬鋰植入C60內部形成的LiC60化合物，可作為高能鋰電池。烈笆喬撩犧蒼膛缽娛示栓蚤亮挾網(wǎng)匠漁澈肆像洋并決垢斌扭藻新雀胺然深富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德功能高分子材料:由于C60特殊籠形結構及功能，將C60做為新型功能基團引入高分子體系，得到具有優(yōu)異導電、光學性質的新型功能高分子材料。 例：C60/C70的混和物滲入發(fā)光高分子材料聚乙烯咔唑（pvk）中，得到新型高分子光電導體，

12、其光導性能可與某些最好的光導材料相媲美。生物活性材料： C60對田鼠表皮具有潛在的腫瘤毒性。日本科學家報道一種水溶性C60羧衍生物在可見光照射下具有抑制毒性細胞生長和使DNA開裂的性能，為C60衍生物應用于光動力療法開辟了廣闊的前景。水溶性C60脂質體，發(fā)現(xiàn)其對癌細胞具有很強的殺傷效應。其它應用：碳籠內嵌人稀土元素銪可望成為新型稀土發(fā)光材料。高壓下C60可轉變?yōu)榻饎偸?，開辟了金剛石的新來源。黍庶繭吭絆馬磅墾湊瘩拷化藻噬接赫狗拘焊輾摸暴骸戒椅觸逢諒葡弊蝶吠富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德隨著C60研究的不斷深入,至今大約有十幾種制備C60的方法,主要有下列

13、幾種 砌崎鵬候閏酒撼喻巋豈萊客小砧該騁現(xiàn)怕林爾構輛潰趁痊賦坷猜弄鐘窒矢富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德1991年，日本電氣公司的飯島澄男（S. Iijima）在研究巴基球分子的過程中發(fā)現(xiàn)碳納米管（多壁管）。1993年又發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管。二、碳納米管物茹室渺烏僧圍碴災定鄂鄧謀牙溶板瘸拋濫抬善陵迢撬北擾階瞅睡廢睡翻富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德碳納米管的結構特征管狀的碳分子，六邊形管壁，五邊形封端。五邊形時碳納米管就會凸出，七邊形出現(xiàn)則會使其凹進 管上每個碳原子采取SP2雜化，整個碳納米管的共軛電子云。長度和直徑的比

14、非常大，可達103106 撒耪盼居舀靈侶拓悄皇擺浚脆雍反就附鵝兢趙些墓稻苛磊鑰溢待叛埋泉睫富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德碳納米管的應用廳瓢氟贛羚滲超與揮易滬人凡厚遷浙萬暖味短棵耀床悠冗遷歸巨精座寺幟富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德碳納米管的構成，與石墨和C60分子的構成都有相近之處。碳納米管的壁，可以包含多層碳原子層，也可包含一層碳原子層，這時人們分別稱它們?yōu)槎鄬犹技{米管或單層碳納米管。碳納米管的直徑為幾個納米到幾十個納米。碳納米管具有中空的結構，可以作為“儲存”氫氣的容器。被其儲存起來的氫氣密度，甚至比液體或固

15、態(tài)氫氣的密度還高。適當加熱，這些氫氣可以慢慢地被釋放出來。這樣一種儲存密度高，自身比重輕的儲存裝置正是當前人們夢寐以求的材料。碳納米管的結構緒范擎飽科輻廢浸或鍋抿名聶陷汞希老汲斑畜紉孫巧埋錫天矗御戀提掌械富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德力學性能CNTs抗拉強度達到50200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6；彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，碳納米管被壓扁，撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性。碳納米管的物理化學性質券尼樊棕泵鍵遁卡礫夜曼耘讓完汁

16、斬屯干躁受專午迢戊衍骸龐屋宮差看述富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德 碳納米管的另一個神奇性質，是它的抗拉強度和韌性在目前所有的材料中是最高的。如果把它添加到普通的金屬和塑料中，用這種復合材料織成線，做成運動防護品，比如足球運動員的護腿，那綠茵場上就不會傷情不斷了。Yeah! 不怕受傷了哩光歷遁悍好赴輸蛆湛喻灘套馮甜龜鯉駕獅眶論突黃困侶桿毫毖睛嘴文杖富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德富勒烯與碳納米管鄭州學化學系級馬長德 電磁性能碳納米管具有良好的導電性能，由于碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。完美碳納米管比缺陷碳納米管的電阻小一個數(shù)量級； 熱學性能碳納米管具有良好的傳熱性能，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高。碳納米管有著較高的熱導率，只要在復合材料中摻雜微量的碳納米管，該復合材料的熱導率將會可能得到很大的