第五讲 一维纳米纳米结构单元.ppt

第五章 一维纳米结构单元 教学目的：了解什么是一维纳米结构单元，了解一维纳米结构单元的主要类型。 重点内容： 1、掌握基本概念 纳米管、纳米带、纳米电缆、一维纳米材料。 2、富勒烯和纳米碳管的结构和性质。 3、富勒烯和纳米碳管的制备方法。 ?难点内容：富勒烯和纳米碳管的制备方法。 熟悉内容: 了解纳米带与碳纳米管的性能差异。 了解纳米棒、纳米丝和纳米线之间的区别。 知道什么是同轴纳米线缆，什么是纳米环；了解它们有哪些可能的应用。 理解纳米环的性质与纳米线和纳米管的性质的差别。 富勒烯和纳米碳管的发现史。 主要英文词汇： one-dimensional nanomaterials, nanorod, nanowire, nanotube, nanofiber, nanocable, nanospring，nanobelt, nanoribbon. 众所周知，碳有两种同素异构体：一种是金刚石；一种是石墨。无定型碳 C60的发现大大丰富了人们对碳的认识，由C60紧密堆垛组成了第三代碳晶体。 1985年，Smalley与英国的Kroto等人在瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶，使石墨中的碳原子汽化，用氦气流把气态碳原子送入真空室。迅速冷却后形成碳原子簇，并用苯来收集碳团簇、用质谱仪分析发现了由60个碳原子构成的碳团簇丰度最高，通称为C60，同时还发现C70等团簇。 C60（buckminsterfullerene)及富勒烯（fullerene）的发现和合成过程 英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托（H.W.Kroto）在研究星际空间汽暗云中富含碳的尘埃时，发现此尘埃中有氰基聚炔分子（HCnN，n15），克罗托很想研究该分子形成的机制，但没有相应的仪器设备。 1984年克罗托赴美参加在得克萨斯州举行的学术会议，并到莱斯大学参观，经该校化学系系主任科尔（R.F.Curl，Jr）教授介绍，认识了研究原子簇化学的斯莫利（R.E.Smally）教授，观看了斯莫利和他的研究生用他们设计的激光超团簇发生器，在氦气中用激光使碳化硅变成蒸气的实验，克罗托对这台仪器非常感兴趣。 克罗托想换上石墨靶，检验斯莫利的这台机器是否真的能够生成长链分子，测出它们的光谱。但开始斯莫利对此不感兴趣 。 三位科学家有意合作并安排在1985年8月到9月间进行合作研究。 1985年8月23日，在第二代团簇束流发生器中第一次装上了石墨靶。当天，实验人员在观测碳64的信号时，意外地发现碳60的信号明显地超出了仪器的量程，经测试，碳60的信号比相邻的碳62信号高出大约20倍。 C60具有什么样的结构呢？ 金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子，C60和C70是有固定碳原子数的有限分子，它们应该具有不同的结构。 克罗托想起美国建筑师巴克明斯特·富勒BuckminsterFuller为1967年蒙特利尔世博会设计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成的圆穹屋顶。 富勒曾对克罗托等人启发说：“C60分子可能是球形多面体结构”。 在富勒的启发下，克罗托、斯莫利和科尔用硬纸板剪成许多五边形和六边形，终于用12个五边形、20个六边形组成了一个中空的32面体，五边形互不邻接，而是与五个六边形相接，每个六边形又与3个六边形和3个五边形间隔相接，共有60个顶角，碳原子位于顶角上，是一个完美对称的分子（图）。 由于是在富勒的启发下，他们三人推测出了C60的球形结构，因此1985年他们在《自然》杂志上发表文章时，特意给C60取名为Buckminsterfullerene，即巴克明斯特富勒烯，简称Fullerene即富勒烯，或用富勒的名字称为Buckyball即巴基球。因C60酷似英式足球，所以又称为Soccerene，即足球烯。 到底C60的结构什么样？是不是像他们三人所推测的那样？当时用激光蒸发石墨只能得到极微量的C60，难以满足结构分析的需要。 为寻找合成大量C60的方法，1990年，德国马普核物理所的物理学家克列希默（Kratschmer）等用电弧法制得了毫克级的富勒烯，是以石墨作电极，在氦气中通电，石墨电极蒸发为蒸汽，冷却后得到含有5％～10％C60和C70混合物的烟灰，此烟灰可溶于苯或甲苯中，利用重结晶或液相色谱法将它们分离，得到纯C60和C70。 经红外光谱，紫外可见光谱，电镜扫描，粉末和晶体X射线衍射分析等方法对C60和C70进行结构分析，证实了克罗托等人的推理是完全正确的--C60是球笼状，C70是橄揽球笼状（图）。 由于克罗托、科尔、斯莫利三位科学家在富勒烯研究中的杰出贡献，他们共同荣获了1996年的诺贝尔化学奖。 研究结果发现: C60是由60个碳原子排列于一个截角20面体的顶点上，构成足球式的中空球形分子。 换句话说，它是由32面体构成，其中2