我国C60和碳纳米管的研究进展

1985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。美国科学家Curl和Smalley教授及英国科学家Kroto教授为此获得1996年诺贝尔化学奖。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。C60被的短短10多年来，富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生命及医药科学各领域，极大丰富和提高了科学理论，同时也显示出巨大的潜在应用前景。
　　
　　在过去的10多年中，特别是1990年Kratschmer用电弧法宏观量合成富勒烯成功后，富勒烯的研究迅速发展并取得了重要成果。我国的富勒烯研究是世界起步较早的国家之一，在这10年中，取得了很好的成果。下面我们从以下方面对我国富勒烯和碳纳米管的研究情况作一回顾和展望。
　　
　　1富勒烯的合成和分离
　　
　　从1990年年底，中国科学院化学研究所和北京大学就开始了C60团簇的合成研究，并相继发表了C60和C70制备与分离的文章。分离得到的纯度可达到99.9%，C70可达98%以上。我国对富勒烯的早期研究获得了一系列重要的突破性进展。
　　
　　北京大学首先建立了重结晶分离C60和C70的方法，回收率高、设备简单、适应大规模生产，并于1993年通过国家自然科学基金委员会的鉴定，获得了2项发明专利。除C60和C70外，北京大学还用重结晶分离得到克量级C76、C78、C84的混合及100多毫克含量90%以上的C84。南京大学还报道了利用C60、C70及高碳富勒烯与AlCl3的较大复合差异快速分离出高纯C60的方法。
　　
　　2理论计算研究
　　
　　1985年发现C60以后，首先是理论化学家对C60的结构和稳定性进行了大量工作。在我国以唐敖庆教授为首的吉林大学理论化学研究所对碳笼形团簇进行了一系列的理论研究工作。最早提出多面体碳团簇与多面体硼笼团簇的几何上的共轭关系，系统地推导出可能存在的高对称性碳笼团簇的碳原子数的一般公式。并且从几何上说明了如何在同一对称下，由小共轭笼烯生成大共轭笼烯的几何关系。
　　
　　3富勒烯的化学修饰
　　
　　对于化学家来说，很少使用元素碳作为起始原料进行合成研究。自从C60、C70可以宏观量制备以来，这种情况发生了变化。目前国内对C60、C70的化学修饰作了大量的工作，这些工作主要集中在环加反应及C60阴离子的形成及其反应上。
　　
　　南京大学对C60、C70的还原反应进行了系统的研究，发现在酸性条件下，用化学还原生成富勒烯氢化物，但在碱性条件下则生成富勒烯的负离子。非常有趣的是，一般文献报道富勒烯负离子对水敏感，而在南京大学的实验中发现，C606－和C706－在无氧存在时对水并不敏感。更有意义的是，在国际上首次发现无需控制还原剂的化学计量，只需改变溶剂，就能定量生成C60－离子的水溶液，毫无疑问，C60和C70负离子在空气中是不稳定的。C60、C70负离子在有机溶液中则生成中性粉末，在水中氧化则生成水溶胶。1995年复旦大学报道了C602－盐的反应，高选择地合成了单加成的C60苄基化合物，表明C60负离子为C60的化学修饰开辟了新的途径。在1994年他们利用1-甲基萘和钾形成均相还原特性于四氢呋喃中与C60可在室温形成KC60（TTF），这为超导材料的合成提供了一种有效的探讨途径。
　　
　　4富勒烯在电、磁、光材料中的应用
　　
　　C60本身的对称性决定了C60自身有非线性光学性质。作为一种新的化合物，研究其电、磁、光等应用是非常重要的，实际上C60就是因为掺杂碱金属在一定条件下具有超导电性，其电荷转移复合物有铁磁性而引起人们极大兴趣和关注。
　　
　　1991年北京大学化学系和物理系在国内首次获得了K3C60和Rb3C60超导体，超导转变温度为18K和28K，其超导相达75%，达到了当时国际先进水平。1993年他们成功制备了K3C60外延超导膜，其Tc=21K，Jc=5×104A/cm2。1994年后有关C60超导研究，国内外都处于更深入的艰难阶段。C60的磁学研究实际上从其超导性开始的。
　　
　　C60家族分子是三维π电子离域的化合物，有良好的非线性光学效应。北京大学测定了C60、C70的非线性光学系数，并利用飞秒技术

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