富勒烯比金刚石硬

背景

有规则、具对称性的几何图形总是迷人，引人遐思。古希腊人以正四面体、立方体、正八面体、正十二面体，以及正二十面体分别代表组成宇宙万物的 元素火、土、气、水和组成天上物质的以太，统称为柏拉图固体。开普勒也曾突发灵感，提出由五个柏拉图固体的内外切线组成的宇宙模型，认为这几个内外切球半径的比例就是当时已知六个行星轨道的比例， 而称颂它是上帝在天上的伟大杰作。 

富勒烯( Fullerene)是一种单质碳元素构成的同素异形体。由一种元素碳的五元环和六元环组成，以球状或椭圆状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，稳定存在的富勒烯必须满足独立五元环规则。

故事源自英国萨赛克斯大学的克罗托（Sir Harold Walter Kroto），他主要研究微波频谱学，用以分析太空星球大气层及星际气云的成分。当时他对碳含量高的巨星深感兴趣，在分析其大气谱线时，他发现可将 其归因于氰基多炔烃，这是一种由碳和氮组成的长链分子，同样的分子也出现于星际气云中。克罗托认为这些碳化合物源自星球大气，而非星际气云，所以希望对这类长链分子的形成机制做进一步的研究。 

1984年复活节，克罗托到美国莱斯大学访问科尔 （Robert F. Curl, Jr.），科尔建议克罗托参观他同事暨 研究伙伴斯莫利（Richard E. Smalley）所研发出的一 套激光 - 超音速团簇束仪器（图 1），可以将物质蒸发为原子气体，进而形成数十个原子聚合在一起的团簇。克罗托认为这套仪器或可用以仿真星球大气中的化学环境，以提供长链碳化合物会在星球大气高温区域形成的证据。他向科尔解释此想法，科尔提议大家一起合作研究。

图1 激光- 超音速团簇束仪。脉冲激光聚焦在石墨盘上，将碳原子打出，混入经小孔喷进的超音速、高密度氦气流束，形成碳团簇进入收集杯，再让其向外膨胀（克罗托提供修改而成）

富勒烯的研究在霍夫曼与克列斯默找出可以大量制造的合成方法后，研究成果突飞猛进，例如发现与 富勒烯结构类似的碳纳米管，具有热与电的良导性与 惊人的抗张强度等。做为继钻石与石墨之后的第三种碳物质，富勒烯的研究已成为化学的一个领域，它的应用价值有赖科学家进一步的探讨与努力。 

图2 “截角正二十面体”模型

富勒烯和金刚石

都是碳元素的同素异形体，表现出完全不一样的物理性质。俄罗斯研究人员近日发现富勒烯在高温高压下可以形成比金刚石还硬的超硬碳材料。这一发现极大地推动了新型超硬碳材料的发展。

物理学家通过模仿基于富勒烯和单晶金刚石的结构，探索出这种新材料获得超高的硬度的机理。这一发现让评估超硬材料的潜在制备条件成为可能。该结果发表在Carbon杂志上。

富勒烯通常是在其晶格节点处具有富勒烯分子的分子晶体。富勒烯是碳元素形成的一种球形同素异形体。早在30年前，富勒烯就被首次合成出来并一举获得了诺奖。球形的富勒烯可以有多种组装方式，并且材料的硬度很大程度上决定于富勒烯分子之间的组装方式。由俄罗斯科学院生物化学物理研究所(FSBSI TISNCM, Moscow, Troitsk)的Leonid Chernozatonskii教授领头和来自莫斯科物理技术学院(MIPT)，斯科尔科沃科技学院(Skoltech)，国立科技大学(MISIS)和联邦国家预算科学研究院超硬和新型碳材料科技研究所的一群科学家，设法解释为什么富勒烯能成为超硬材料。

物理及数学专业在读生，文章的主要作者Alexander Kvashnin说：“当我们开始讨论这个想法时，我正在TISNCM工作。在1998年，由Vladimir D. Blank领头的一群科学家获得了基于富勒烯的新材料——超硬富勒烯。测试结果表明，这个新材料可以在金刚石上刻画，也就是说，它实际上要比金刚石还硬。”

 其实得到的这种材料并不是单晶，它其中包含了无定形碳和3D-聚合的C60分子，但是它的晶体结构却尚未完全确定。富勒烯分子具有优异的机械刚性。与此同时，富勒烯晶体在正常的条件下是非常柔软的材料，但是在一定压力下可以成为比金刚石还硬的材料（由于3D聚合反应）。虽然这种材料已经合成并研究了20余年，但现在仍然不知道它成为超硬材料的原因。

我们知道，在压缩的状态下材料的弹性和机械性能将会增大。金刚石将会作为一个保持压缩状态的富勒烯的壳，并且保存了所有属性。在该研究中，他们首先分析了1nm厚的金刚石壳，其中内部包含2.5nm富勒烯的小模型。然而，这种小模型与实验数据并不相符。随后，研究人员开始对复合材料进行建模，在金刚石壳的厚度不变时，将其中富勒烯的尺寸增加到15.8nm。X射线衍射光谱的变化表明，富勒烯尺寸的增加使得光谱更接近实验数据。在比较光谱之后，假定在实验中最可能发生的是，当模型对内部含有富勒烯的金刚石处理时，已经获得了内部具有流体静力学的压缩富勒体的无定形碳介质。根据计算的光谱，新模型与实验数据非常相符。

物理及数学专业博士，项目负责人Pavel Sorokin说：“开发的模型将帮助我们理解这一独特性质的本质，并且能够帮助我们系统地合成出新型的超硬碳材料，以及有助于推动这个有前途的科学领域的进一步发展。”

富勒烯本身并不坚硬，其体积模量比金刚石的1.5倍还小。但是当它被压缩的时候，其体积模量迅速增大。为了保持这种增强的体积模量，富勒烯应该总是保持这种被压缩的状态。通过使用模拟结果，科学家可以通过精确的实验获得超硬材料。