科普讲座富勒烯C分析报告.pptx

富勒烯（碳60）科普知识 XXX 上海交通大学XX学院 2014年5月16日 要点 金刚石与石墨的性质对比，及其与结构的关系； C60的结构特点； C60结构：猜想的依据与实验确定； C60的主要化学性质； 碳纳米管的结构特点； 碳纳米管的制备； 对材料、科学研究的认知 课前提问 世界上最薄的材料？ 自然界最硬的材料？ 碳原子周围有几层电子，外层有几个电子？ 列举你所知道的碳的化合物，画出它们的分子结构。 元素周期表中大约有多少种元素，能否背诵前18个元素？ 材料与文明 碳循环 光合作用的反应方程式： 金刚石和石墨 人造钻石纳米晶体是最坚硬的物质。[20] 石墨是最柔软的物质之一。 钻石是极佳的磨料。 石墨是极佳的润滑剂，甚至具超润滑性。[21] 钻石是高绝缘体。[22] 石墨是高导电体[23] 钻石是导热率最高的物质之一。 石墨可用作热绝缘体。 钻石透明。 石墨为不透明黑色。 钻石晶体结构属于立方晶系。 石墨晶体结构属于六方晶系。[24] 无定形碳具各向同性。 碳纳米管是各向异性最强的物质之一。 为什么有这么大的差异？ 金刚石与石墨的结构 人造钻石纳米晶体是最坚硬的物质。[20] 石墨是最柔软的物质之一。 钻石是极佳的磨料。 石墨是极佳的润滑剂，甚至具超润滑性。[21] 钻石是高绝缘体。[22] 石墨是高导电体[23] 钻石是导热率最高的物质之一。 石墨可用作热绝缘体。 钻石透明。 石墨为不透明黑色。 钻石晶体结构属于立方晶系。 石墨晶体结构属于六方晶系。[24] 无定形碳具各向同性。 碳纳米管是各向异性最强的物质之一。 （晶体中的原子结构） C：(1s2)2s22p2 （碳原子的电子结构） 理解芳香环结构的稳定性 对比 你们班为什么以六人小组为基本单位？ 试着一起玩单脚站立的小游戏 材料显微结构研究方法 光学显微镜 电子显微镜 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 扫描探针显微镜 德布罗意公式 材料显微结构研究方法 光学显微镜 电子显微镜 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 扫描隧道显微镜 晶体结构之对称性 旋转对称性 二度 三度 五度 六度 传统的晶体学认为：只有二度、三度、四度、六度对称旋转才能在在三维空间周期性扩展形成晶体结构，五度对称轴及其他更高的对称轴都没有办法。可以有五度对称的分子，但是不能期望获得五度对称的晶体。 二度 三度 五度（无法占满空间！） 六度 四度 五度对称与准晶 1984年，以色列科学家D. Shechtman等首次报道了准晶的结构。以充足的实验证据证明五度对称的结构并非来自于晶体的缺陷，而是材料本身正常稳定的结构。 D. Shechtman准晶发现与获奖之路 文章首先被应用物理杂志Journal of Applied Physics （影响因子2.201)据稿，一个月后转投冶金交流杂志metallurgical transactions （影响因子1.389）被接收。 其提出的准晶理论被著名化学家，两度诺贝尔奖得主Linus Pauling（1901-1994）终其一生强烈否定。Pauling认为所谓的准晶，其实只是晶体的一种对称缺陷罢了。关于准晶，他嘲弄说，没有准晶，只有准科学家。 D. Shechtman以其发现准晶，获得2011年度诺贝尔化学奖。 D. Shechtman在诺贝尔奖获奖感言上引用《圣经-诗篇23》说，“我虽然行过死荫的幽谷，也不怕遭害”Yea, though I walk through the valley of the shadow of death, I will fear no evil. 插播小故事 C60的结构与发现 1996年诺贝尔化学奖 C60的发现：历史背景 英国Sussex大学H.W. Kroto长期研究星际空间长条碳链的结构、实验室合成（蒸发石墨棒产生碳灰）和谱学表征。 美国Rice大学的R.E. Smalley致力于用激光蒸发法制备分子团簇。 Kroto经Curl（结构化学与有机化学家）介绍，参观Rice大学Smalley课题组，想到Smalley的设备非常符合他梦想获得的外太空条件（高能、高真空、背景温度低），于是产生了三个研究组一起合作的想法。 在这个合作中意外发现了C60。 C60的发现：实验装置与结果（1985年9月1日至9月10日，美国Rice大学） 碳原子数目 信号强度 不约而至的客人 Kroto本来关心的部分 C60结构：笼状结构的猜想过程 C60不太活泼，说明不会是石墨片结构（周围有悬空键），也不会是分子链，否者两边一定有氢。大家渐渐一致认为应当是一个石墨面卷起来封闭的笼状结构（注意：使用的原材料是石墨）。 -C≡C-C ≡ C-…C ≡ C- 笼状结构让Kroto回忆起建筑学家Buckmister Fuller