纳米技术 富勒烯

富勒烯是什么
富勒烯是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。

富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。

根据碳原子的总数不同，富勒烯可以分为C₂₂、C₂₂、C₂₂、C₂₂、C₂₂等。

其中，最小的富勒烯是C₂₂。

C₂₂高度对称的笼状结构使其具有较高的稳定性，因此在富勒烯家族中研究最为广泛。

富勒烯因其独特的零维结构，是近年来最重要的含碳纳米材料之一。

同时，富勒烯具有特殊的光学性质、电导性及化学性质，因此富勒烯及其衍生物在电、光、磁、材料学等方面都得到了广泛的应用。

2022年11月，中国矿业大学科研团队发现外径约55纳米的天然洋葱状富勒烯，即“碳洋葱”，这是目前地球上发现的最大的天然“碳洋葱”。

富勒烯发展及其应用现状摘要：富勒烯(C60)具有较高的化学稳定性、较大的比表面积、良好的导电性和独特的三维结构。

本文综述了富勒烯的研究进展并介绍了富勒烯分子的简单制备原理及过程，基于富勒烯良好的化学性质，简要介绍了其在化妆品、医学等领域的应用现状。

最后，总结了富勒烯的存在的弊端以及未来的研究方向并对富勒烯未来的发展方向做出展望。

关键词：富勒烯；研究现状；应用引言富勒烯是一类由12个五元环和若干个六元环组成的中空笼状全碳分子，最早由Smalley和 Curl于1985年在研究星际空间中碳尘埃的形成过程中、在进行激光蒸发石墨的质谱实验时发现[1]﹐其中由60个碳原子组成的C60“巴基球”具有异常的稳定性，并具有完美的球形对称结构。

C60 的出现使人们了解到了一个全新的碳世界，并立即引起了全世界科学家的广泛关注。

1991年 Huffman等[2]宣布他们找到了一种可以宏量制备巴基球的方法，使得C60再次成为各领域科学家关注的热点，并由此开始了对一系列笼状分子富勒烯的研究热潮。

20多年来，无论是在基础研究还是在实际应用领域都取得了长足的进步。

本文主要结合富勒烯分子的特点，综述富勒烯分子的制备原理以及在各大领域的应用现状。

1.富勒烯结构及其性质富勒烯分子中60个碳原子完全等价.由于球面弯曲效应和五元环的存在，碳原子的杂化方式介于石墨晶体和金刚石晶体杂化之间.分子中共含有30个双键和60个单键，以达稳定结构，单键沿球面方向，而电子云则垂直分布在球面两侧，形成了三维芳香型分子.根据分子杂化轨道理论，碳原子形成杂化轨道与另外三个碳原子成键,形成碳笼结构，剩下的独轨道在笼的内壁和外围形成大Π键，使C60分子具有球形芳香性．因此C60分子中,碳与碳之间形成的键是类似于苯环C 原子间的特殊键。

C60分子的球形中空结构可以推断，它应具有芳香性，能够进行一般的稠环芳烃所进行的反应.如能够发生烷基化，进行还原生成氢化物等,众所周知，芳烃一般表现出富电子反应，易与亲电试剂发生亲电取代反应．但是C60却表现出缺电子化合物的反应性，即倾向于得到电子，它难与亲电试剂发生反应，而易与亲核及金属反应.2.石墨电阻加热法和电弧放电法制备石墨电阻加热法：在0~100torr氦气气氛中，两根相互接触的石墨棒在电阻加热的作用下蒸发为气态的等离子体，等离子体在He气氛中碰撞冷却，最终得到C60和C70。

富勒烯富勒烯（Fullerene) 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. C60是于1985年由Rich ard Buckminster Fuller发现的第一个富勒烯, 又被称为足球烯. 这是因为C60的表面结构与足球完全一致. 富勒烯这个名称也由Fuller 而来, 而我们一般用Buckm inster fullerene 指足球烯.性质密度和溶解性C60的密度为cm。

C60不溶于水，在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非极性溶剂中有一定的溶解性。

导电性碳原子本具有导电性，而C60分子的导电性优于铜，重量只有铜的六分之一，一个巴克球分子相当于一纳米，可谓极微小，它的导电性来自奇特的分子结构并非靠其他原子，可见不久的将来人类世界将诞生非金属电缆、非金属电路板...等富勒烯产品。

结构克罗托受建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒（RichardBuckminsterFuller，18 95年7月12日~1983年7月1日）设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为buckminster fullerene（巴克明斯特·富勒烯，简称富勒烯）。

富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。

它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。

现已分离得到其中的几种，如C60和C70等。

在若干可能的富勒烯结构中C60，C240，C540和直径比为1:2:3。

C60的分子结构的确为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯。

球体直径约为710pm，即由12个五边形和20个六边形组成。

解新信息题的切入点——富勒烯20世纪80年代发现的富勒烯因其完美的对称结构曾令不少人痴迷。

近年来，虽有不少科学工作者转向进行纳米研究，但富勒烯仍是一个研究热点，仍不断有关于富勒烯及其应用的新发现。

自从97年高考根据其结构命题压轴以后，各种考试也在这方面作了一些探索，本文对此试作总结。

例一：（97年高考）1996年诺贝尔化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家，C60分子是形如球状的多面体（图见后），该结构的建立基于以下考虑：①C60分子中每个碳原子只跟相邻的三个碳原子形成化学键；②C60分子只含有五边形和六边形；③多面体的顶点数、面数和棱边数的关系遵循欧拉定理：顶点数+面数-棱边数=2。

（笔者注：中学数学新教材已将欧拉定理列入教学内容，以后试题中就不必再提示了）据上所述，可推知C60分子有12个五边形和20个六边形，C60分子所含的双键数为30，请回答下列问题：（1）固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是，理由是。

（2）试估计C60跟F2在一定条件下，能否发生反应生成C60F60（填“可能”或“不可能”），并简述其理由。

（3）通过计算，确定C60分子所含单键数。

（4）C70分子也已制得，它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知，通过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目。

C70分子中五边形数为，六边形数为。

解析：本题起点高（诺贝尔奖）、但落点低（考查的是基础知识）。

第（1）小题：考查的是晶体类型与熔沸点的关系及能否辨别大分子与原子晶体。

C60虽分子较大，但仍是有限的分子，属分子晶体，和原子晶体的无限结构还是不同，故熔点较高者应是金刚石。

第（2）小题：考查的是双键发生加成反应的性质及对其数量的观察。

因C 60分子含30个双键，与极活泼的F2发生加成反应即可生成C60F60。

第（3）小题：考查的是对点、边等共用情形的计算（笔者注：这种实用计算中学几乎不涉及，但学生应该会；99年高考压轴题关于密度的计算也可用到）。

富勒烯富勒烯（Fullerene) 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。

1985年Robert Curl等人制备出了C60。

1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。

富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即[60]富勒烯分子，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为巴克明斯特·富勒烯。

饭岛澄男早在1980年之前就在透射电子显微镜下观察到这样洋葱状的结构。

自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科学家们通过史匹哲太空望远镜发现在外太空中也存在富勒烯。

“也许外太空的富勒烯为地球提供了生命的种子”。

在富勒烯的发现之前，碳的同素异形体的只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和炭），它的发现极大地拓展了碳的同素异形体的数目。

巴基球和巴基管独特的化学和物理性质以及在技术方面潜在的应用，引起了科学家们强烈的兴趣，尤其是在材料科学、电子学和纳米技术方面。

1命名很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音译为巴基球，中国大陆通译为富勒烯，台湾称之为球碳，香港译为布克碳；偶尔也称其为芙等；[1]管状的叫做碳纳米管或巴基管。

富勒烯的中文写法有三种，以C60为例，第一种是标准的写法，即[60]富勒烯，对应英文的[60]fullerene；第二种为碳60，60也不用下标，这是中文专用的写法；第三种为C60，与英文一致。

2历史简介早在1965年，二十面体C60H60被认为是一种可能的拓扑结构。

富勒烯和碳纳米管
富勒烯和碳纳米管都是碳的同素异形体，它们的结构由碳原子以共价键形式构成，但它们的形态和性质有显著差异。

富勒烯是一种分子结构，由纯碳原子组成，通常呈现球状或椭球形。

最著名的富勒烯是C60，它的结构类似于一个足球，由60个碳原子构成20个六边形和12个五边形的封闭壳层。

除了C60以外，还有其他类型的富勒烯，比如C70、C78等，它们的形状和大小略有不同，但基本结构都是由碳原子构成的闭合笼状结构。

富勒烯具有独特的电子性质，可以作为超导体、有机半导体和在光伏电池中的活性材料。

碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）则是由单层或多层石墨烯卷成的管状结构。

根据层数的不同，碳纳米管可以分为单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes，MWCNTs）。

碳纳米管具有极高的强度和刚度，其强度是钢铁的100倍以上，同时具有极佳的电导率和热导率。

这些特性使得碳纳米管在复合材料、电子器件、能源存储和转换设备等众多领域有着广泛的应用前景。

在工程应用中，碳纳米管和富勒烯通常用作增强材料来提高复合材料的力学性能、电学性能和热稳定性。

例如，将碳纳米管添加到塑料或金属基体中，可以显著提升复合材料
的强度和导电性。

富勒烯则因其特殊的电子结构，常用于光电材料和有机电子器件中。

此外，由于碳纳米管和富勒烯具有独特的化学和物理性质，它们也被用于传感器、催化剂载体、药物输送系统等高科技领域。

姓名：秦晨学号：201130451119富勒烯材料前言：富勒烯（Fullerene) 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。

1985年Robert Curl等人制备出了C60。

1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。

富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即富勒烯分子，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为巴克明斯特·富勒烯。

饭岛澄男早在1980年之前就在透射电子显微镜下观察到这样洋葱状的结构。

自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科学家们通过史匹哲太空望远镜发现在外太空中也存在富勒烯。

“也许外太空的富勒烯为地球提供了生命的种子”。

在富勒烯的发现之前，碳的同素异形体的只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和炭），它的发现极大地拓展了碳的同素异形体的数目。

巴基球和巴基管独特的化学和物理性质以及在技术方面潜在的应用，引起了科学家们强烈的兴趣，尤其是在材料科学、电子学和纳米技术方面。

命名很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音译为巴基球，中国大陆通译为富勒烯，台湾称之为球碳，香港译为布克碳；偶尔也称其为芙等；管状的叫做碳纳为例，第一种是标准的写法，米管或巴基管。

富勒烯的中文写法有三种，以C60即[60]富勒烯；第二种为碳60，60也不用下标，这是中文专用的写法；第三种为C 60，与英文一致。

历史：早在1965年，二十面体C 60H 60被认为是一种可能的拓扑结构。

A white cell Cell membraneCarbon and hydrogen atoms in an area of 1 nm2 DNA double-helix structureKernel of carbon atom: 6 neutrons and 6 protonsK. Eric Drexleruncontrollable self-replicatingmachines4世纪Roman cupD. M. Eigler &E. K. Schweizer.Nature 344, 524 (1990).1.受计算量的限制2.样品的多样性和不确定因素3.解释、分析结果4.引导实验研究（石墨烯，隐身衣）NanomaterialsFeature size <100 nmZ.L. Wang, Materials Today, June 2004, pp.26Z. Pan, et al. Nano Lett. 2003, 3, 1279-1284SiO 2nanowire flowers纳米材料的自组装（self-assembly ）Control on self-assembly 1.Temperature2.Electrical/Magnetic field3.Flow of gas or liquid4.ConcentrationGold nano-grailC. J. Heo, et al. Adv. Mater. 2009.B. Wiley, et al. MRS Bulletin, 30, 356 (2005).纳米量级的控制1.形态、结构50 mmaligned NWs compression at constant pressureNWs +Surfactant monolayeraligned NWshydrophobic substrateNWs surfactantsSurfactant monolayerFrom News and Views, Nature 425, 243 (2003).D. Whang, et al., Nano Lett.3, 1255 (2003).500 nmClosed packed NWs500 nm pitch av : ~400nm 500nmpitch av : ~800nmSurface area = 6 ×102cm2Surface area = 8 ×6 ×52cm2Surface area = (107)3×6 ×(10-7)2cm2100,000 times碳（Carbon ）2S 22P SP 3杂化，熔点、硬度高，绝缘SP 2杂化，层片状结构，导电1.尺寸（直径1 nm ）2.密度（2 g/cm 3）3.空气稳定性（>600 °C ）4.弹性模量（1 TPa ）5.抗拉强度（>100 GPa ）6.热导率（6000 W/m ⋅K ）7.载流子迁移率（100,000 cm 2/Vs ）8.载流能力(109A/cm 2)纳米电子器件复合材料豌豆荚H. E. Romero, et al. Science 2005, 307, 89.J. Y. Chen, et al. Science 2005, 310, 1480.Y. Gao & Y. Bando, Nature 415, 599 (2002).4. 最小的温度计3. 毛细现象1. 超塑性拉伸2. 径向变形Science 2006, 312, 1199.X. Zhang, S. Fan, et al. Adv. Mater. 2006, 18, 1505-1510.Science 2004, 306, 1358.Science 2005, 309, 1215.Science 2009, 323, 1575.L. Qu, et al. Science 322, 238 (2008)壁虎爪子Nano Lett. 2003, 3, 1701-1705.Nano Lett. 2008, 8, 1879.纳米刷子纳米奥巴马纳米宝塔纳米飞毯Nature Nanotechnology 2008.C60 (1985)Buckminster Fuller(1895-1983)Geodesic dome Triangular elementsHighest ratio of enclosed volume to weightRobert F. Curl Jr.R ichard E. SmalleySir Harold W. KrotoDiscovery of C60 (Buckminsterfullerene)1996 Nobel Prize for ChemistryProf. Robert F. Curl, Jr., Rice University, Houston, USA Prof. Sir Harry W. Kroto, University of Sussex, Brighton, UK Prof. Richard E. Smalley, Rice University, Houston, USA石墨晶须（Roger Bacon, 1958）石墨晶须的早期报道Filamentous growth of carbon through benzene decomposition, Journal ofCrystal Growth, Vol. 32, 335-349, 1976.Multi-walled nanotubes (1991) Prof. Endo,“See what is really there, not what you would like to see.”单壁碳纳米管Single-walled nanotubes (1993)Single-walled nanotubes (1993) graphite diamond富勒烯家族C60五边形: 12个六边形: 20个C70五边形: ?六边形: ?A (11,7) tube唯一确定碳纳米管的分子结构（和手性），但手性不一定能用常规手段检测分析。

富勒烯五边形与六边形计算富勒烯是由碳原子构成的一种特殊结构的分子，以其独特的形状和性质而备受关注。

在富勒烯中，最常见的两种形态是五边形和六边形。

本文将从五边形和六边形的构成、性质和应用等方面进行探讨。

一、富勒烯中的五边形和六边形构成富勒烯的结构由碳原子构成，通过共享电子形成共价键。

而五边形和六边形则是富勒烯中最基本的构成单元。

在富勒烯中，五边形和六边形以特定的方式相互连接，形成不同形状的分子。

五边形是由五个碳原子构成的多边形，每个碳原子都与相邻的两个碳原子形成共价键。

六边形是由六个碳原子构成的多边形，每个碳原子也与相邻的两个碳原子形成共价键。

在富勒烯中，五边形和六边形以交替的方式排列，形成不同的富勒烯结构。

二、富勒烯五边形与六边形的性质1. 富勒烯的五边形和六边形构成使其具有良好的稳定性和结构强度，能够抵抗外部压力和变形。

2. 富勒烯的五边形和六边形构成决定了其空间结构的曲率，使其具有特殊的几何形状，如球形、管状等。

3. 富勒烯的五边形和六边形构成使其具有良好的导电性和热导性，广泛应用于电子器件和材料科学领域。

4. 富勒烯的五边形和六边形构成还赋予其特殊的化学反应性，可进行各种有机合成和功能化改性。

三、富勒烯五边形与六边形的应用1. 富勒烯球形结构由五边形和六边形构成，具有高度对称性和稳定性，被广泛应用于材料科学研究和纳米技术领域。

2. 富勒烯管状结构由五边形和六边形构成，具有优异的导电性和力学性能，可用于制备高强度纳米材料和纳米电子器件。

3. 富勒烯的五边形和六边形构成还使其在生物医学领域有广泛的应用，如药物传递、生物成像和癌症治疗等方面。

4. 富勒烯的五边形和六边形构成还可用于合成新型的有机材料和功能性聚合物，具有潜在的应用前景。

富勒烯中的五边形和六边形作为基本的构成单元，决定了富勒烯的结构和性质。

富勒烯以其独特的形状和性能在材料科学、纳米技术和生物医学等领域展示出巨大的应用潜力。

随着对富勒烯的进一步研究和应用，相信富勒烯将为人类社会带来更多的科技创新和发展机遇。

第三讲富勒烯5目录•富勒烯概述•富勒烯的结构与表征•富勒烯的制备、生长机理与纯化•富勒烯的性质•富勒烯化学•富勒烯的应用6碳的同素异形体石墨78富勒烯(Fullerenes)：笼状炭原子簇的总称什么是富勒烯9富勒烯的发展历程1983年，物理学家D.R. Huffman 和W. Kratschmer 在氦气中使石墨电极间放电制备了碳原子簇，碳烟的紫外光谱和拉曼光谱显示，在近紫外区出现了强烈的吸收带，产生了形似驼峰的双峰，他们称这种样品为“骆驼样品”。

1969年David Jones 在New Scientist 上发表论文指出在石墨生产高温过程中有可能形成石墨空心球；1970年日本量子化学家Osawa 曾经计算过对称性的C 60的笼型结构，并计算出该笼形结构具有芳香性，但没有深入下去。

富勒烯之前认识的碳：金刚石和石墨1985年，Robert F. Curl，Harold W. Kroto，Richard E.Smalley共同发现了C60和C70，并获得1996年的诺贝尔化学奖。

1984年，E. A. Rotalfing为了解释星际尘埃的组成，采用大功率短脉冲激光器蒸发石墨，在飞行时间质谱仪上观察到C60和C70的特征峰，但他们只是简单的将其归结为碳原子团簇的线性链结构。

与诺贝尔奖失之交臂。

1984年，R. E. Smalley (Rice U)发明激光气化团簇束流发生器。

101984年，Kroto经Curl介绍认识了Smalley，参观了Smalley研制的用于研究半导体和金属原子簇的激光气化团簇束流发生器，观看了在He气氛中激光蒸发SiC2的实验。

并建议使用这台仪器模拟星际空间由巨碳星产生的浓密富碳风中长链碳分子的形成机制。

1985年9月，Kroto利用该仪器与Smalley合作，用石墨代替SiC2进行激光蒸发实验，他们从质谱图中发现相对原子量为720和840的高丰度分子离子峰（对应C60和C70)；Curl提议立即停止所有其它实验，集中精力研究这一意外发现。