马长德——富勒烯和碳纳米管ppt课件

1、富勒烯及碳纳米管负责人：马长德v1967年加拿大蒙特利尔万国博览会，美国展览馆是由五边形和六边形组成拼接构成的圆顶建筑-启发，提出了C60的分子结构。因此，他们决定以该展览馆建筑师的名字Buckminster Fuller命名，定为“Buckmister fullerene”, 词尾ene为英文“烯烃的后缀，表示C60的不饱和性，简称“Fullerene”1967年加拿大蒙特利尔世博会美国馆著名建筑学家巴基敏斯特.富勒的作品一、 C60一颗璀灿的 “明星分子”v1985年C60的发现是人类对碳认识的新阶段，是科学上的重要发现。C60的发现使我们了解到一个全新的碳化学世界。从平面低对称性分子对全

2、对称的球形分子，从简单分子到富勒烯笼内包原子的超分子，从一维超导到三维超导，从平面的石墨到一维管状的碳纳米管等方面。v由于特殊的结构和性质，C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用物理，化学，材料科学，生命及医药科学。特别是1990年以来Kratschmer和Huffman等人制备出克量级的C60，使C60的应用研究更加全面、活泼。v C60的结构v富勒烯中的碳原子为富勒烯中的碳原子为SP2杂化，三配位，分杂化，三配位，分子形状接近球形。子形状接近球形。v闭合的笼状分子闭合的笼状分子v12个五边形和个五边形和20个六边个六边形。形。v五边形都被六边形所包

3、五边形都被六边形所包围，而六边形周围则是围，而六边形周围则是三个五边形与三个六边三个五边形与三个六边形。形。v形成三维大形成三维大键键富勒烯C60) 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。第一个预言C60分子存在的是日本人大泽，在前人工作的基础上并结合自己的理论研究于1970年和1971年用日文发表了两篇关于超芳香碳氢化合物的文章.在他1970年的论文中，大泽描述了二十面体和截角二十面体分子，但他并没有特别指出是C60。大泽虽然在1970年就预言了C60分子

4、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 C60的发现与命名的发现与命名v 由物理学家们在研究星际尘埃工作中意外得到。v 60年代末至70年代初，日本和前 苏联的科学家就各自独立 的从理论上发现了C60合适的结构一个由12个正五边形和20个正六边形组成的完美的球形结构。v 1985，一位来自英国，满脑子充斥着星际间飘忽尘埃的天文学家克罗托，和两位对半导体团簇感兴趣的美国物理学家斯莫利，科尔走到一起，希望能探讨宇宙中长链碳分子的形成和光谱。在他们短短几个星期的合作过程中意外

5、的发现：在强烈的激光脉冲辐照下产生的碳团簇中， C60具有超常的稳定性。美国罗伯特美国罗伯特F.科尔科尔英国哈罗德英国哈罗德W.克罗托克罗托理查德理查德E斯莫利斯莫利The Nobel Prize in Chemistry 2019v由于C60分子的结构酷似足球，所以又称为足球烯Footballene除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C32、C50、C70 、 C84、C240、C540等，统称为Fullerenes，中文译名为富勒烯。球形富勒烯可简写为C2n，其中五边形12个，六边形n-10个目前发现最小的富勒烯为C20一、以空间结构分一、以空间结构分球形富勒烯球形富勒烯 管状富

6、勒烯洋葱状富勒烯洋葱状富勒烯富勒烯的分类富勒烯的分类 富勒烯的性质 它能发生环加成反应, 亲核、亲电加成, 自由基加成, 包合反应, 聚合反应, 光化学反应, 氧化还原反应等. v超导电性v C60，C70本身都是半导体，在1K左右的低温下， C60，C70都没有向超导体转变，将碱金属K、Rb等掺入C60中形成的M3C60化合物具有超导电性，C60K3在18K的温度下发生了超导转变v与惰性元素可形成与惰性元素可形成He C60和和Ne C60，是惰性，是惰性气体唯一形式的化合物。气体唯一形式的化合物。v发光性质v 处于真空中的C60是没有发光性能的v 当C60晶体吸附了一些气体，或者向C60晶

7、体中参杂某种成分，甚至在C60笼上嫁接一些基团或者有机分子时，使原来不能发光的C60分子具备了发光性质v光聚合特性v 由于双键的存在，富勒烯在一定的光照条件下双键被打开，与相邻的C60分子形成更加稳定的共价键而发生了聚合反应v生物活性：生物活性：v 水溶性富勒烯衍生物在生物化学、水溶性富勒烯衍生物在生物化学、生物医药和药物学方面取得了巨大的生物医药和药物学方面取得了巨大的成功，有些富勒烯衍生物可有望应用成功，有些富勒烯衍生物可有望应用于临床。于临床。v 分别从理论和实验上预测和证明了分别从理论和实验上预测和证明了一些水溶性富勒烯衍生物能够抑制人一些水溶性富勒烯衍生物能够抑制人体免疫缺陷病毒酶。

8、体免疫缺陷病毒酶。v 人类的许多疾病是由于细菌而引起人类的许多疾病是由于细菌而引起的，已有许多研究表明富勒烯衍生物的，已有许多研究表明富勒烯衍生物具有抗菌作用。具有抗菌作用。C60的应用v 掺杂C60的超导体：将碱金属K、Rb等掺入C60中形成的M3C60化合物具有超导电性，其M+处于C60的晶格间隙中。vC60F60：C60打开30个双键与氟发生加成反应生成C60F60，这是一种白色的粉末，耐高温约700），可以用作超级固体润滑剂。因此，C60 F60被称为“分子滚珠。v合成顶端含C60的星型聚乙烯大分子，用作为多电子存储系统。vC60Li： 将金属锂植入C60内部形成的LiC60化合物，可

9、作为高能锂电池。v功能高分子材料:由于C60特殊笼形结构及功能，将C60做为新型功能基团引入高分子体系，得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。v 例：C60/C70的混和物渗入发光高分子材料聚乙烯咔唑pvk中，得到新型高分子光电导体，其光导性能可与某些最好的光导材料相媲美。v生物活性材料： C60对田鼠表皮具有潜在的肿瘤毒性。日本科学家报道一种水溶性C60羧衍生物在可见光照射下具有抑制毒性细胞生长和使DNA开裂的性能，为C60衍生物应用于光动力疗法开辟了广阔的前景。水溶性C60脂质体，发现其对癌细胞具有很强的杀伤效应。v其它应用：碳笼内嵌人稀土元素铕可望成为新型稀土发光材料。高压下C

10、60可转变为金刚石，开辟了金刚石的新来源。C60的制备的制备电弧放电气化法电弧放电气化法(简称电弧法简称电弧法) 激光蒸发激光蒸发石墨法石墨法 苯火焰燃烧法苯火焰燃烧法高频加热蒸发高频加热蒸发石墨法石墨法 萘高温分解法萘高温分解法 v随着随着C60研究的不断深入研究的不断深入,至今大约有十几种制备至今大约有十几种制备C60的方法的方法,主要有下列几种主要有下列几种 1991年，日本电气公司的饭岛澄男年，日本电气公司的饭岛澄男S. Iijima在研究巴基球分子的过程中发现碳纳米管多在研究巴基球分子的过程中发现碳纳米管多壁管）。壁管）。1993年又发现单壁碳纳米管。年又发现单壁碳纳米管。二、碳纳米

11、管二、碳纳米管碳纳米管的结构特征v管状的碳分子，六边管状的碳分子，六边形管壁，五边形封端形管壁，五边形封端。v五边形时碳纳米管就五边形时碳纳米管就会凸出，七边形出现会凸出，七边形出现则会使其凹进则会使其凹进 v管上每个碳原子采取管上每个碳原子采取SP2杂化，整个碳纳杂化，整个碳纳米管的共轭米管的共轭电子云电子云。v长度和直径的比非常长度和直径的比非常大，可达大，可达103106 碳纳米管的应用v碳纳米管的构成，与石墨和碳纳米管的构成，与石墨和C60C60分分子的构成都有相近之处。碳纳米管子的构成都有相近之处。碳纳米管的壁，可以包含多层碳原子层，也的壁，可以包含多层碳原子层，也可包含一层碳原子层

12、，这时人们分可包含一层碳原子层，这时人们分别称它们为多层碳纳米管或单层碳别称它们为多层碳纳米管或单层碳纳米管。碳纳米管的直径为几个纳纳米管。碳纳米管的直径为几个纳米到几十个纳米。米到几十个纳米。v碳纳米管具有中空的结构，可以作碳纳米管具有中空的结构，可以作为为“储存储存氢气的容器。被其储存氢气的容器。被其储存起来的氢气密度，甚至比液体或固起来的氢气密度，甚至比液体或固态氢气的密度还高。适当加热，这态氢气的密度还高。适当加热，这些氢气可以慢慢地被释放出来。这些氢气可以慢慢地被释放出来。这样一种储存密度高，自身比重轻的样一种储存密度高，自身比重轻的储存装置正是当前人们梦寐以求的储存装置正是当前人们

13、梦寐以求的材料。材料。碳纳米管的结构碳纳米管的结构力学性能力学性能CNTsCNTs抗拉强度达到抗拉强度达到5050200GPa,200GPa,是钢的是钢的100100倍倍, ,密度却只有钢的密度却只有钢的1/61/6；弹性模量可达弹性模量可达1TPa1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5 5倍。倍。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，碳纳米管被压扁，撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢碳纳米管被压扁，撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。复了形状，表现出良好的韧性。 碳

14、纳米管的另一个神碳纳米管的另一个神奇性质，是它的抗拉奇性质，是它的抗拉强度和韧性在目前所强度和韧性在目前所有的材料中是最高的。有的材料中是最高的。如果把它添加到普通如果把它添加到普通的金属和塑料中，用的金属和塑料中，用这种复合材料织成线，这种复合材料织成线，做成运动防护品，比做成运动防护品，比如足球运动员的护腿，如足球运动员的护腿，那绿茵场上就不会伤那绿茵场上就不会伤情不断了。情不断了。Yeah! 不怕不怕受伤了受伤了 电磁性能电磁性能碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。完美碳纳米管比缺陷碳纳米管的电阻小一个数量级；完美碳纳米管比缺陷碳纳米管的电阻小一个数量级； 热学性能热学性能碳纳米管具有良好的传热