碳60如何產生? 美國科學家解開世紀之謎

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當Harold Kroto、Robert Curl和已故的Richard Smalley,因為他們在1985年發現碳60 (carbon-60)而贏得1996年的諾貝爾獎時,他們推測了碳60如何被創造出來的原因。這三個人把這60個中空球體、以連鎖五角形(interlocking pentagons)排列的碳原子,稱為「富勒烯(fullerenes,或稱為巴克球buckyballs)」,以形容它們與Buckminster Fuller所發明的圓頂建築結構(geodesic dome)類似。

他們並將稱富勒烯的構造方法稱為「收縮膠膜(shrink wrapping,一種包裝材料)」,因為他們認為富勒烯是從數層石墨薄片(grapheme)所開始被製造的,這種材料被包裹進由上千或更多的原子組成的巨大球體中,然後透過“蒸發(evaporation)”來擺脫原子,直到它們達到了可能的最小形態──碳60。但遺憾的是,在Smalley於 2005年去世的時候,這個「收縮膠膜」的假說還沒有得到證實。但現在,美國Sandia國家實驗室宣佈,該機構已經針對此一假說獲得了驗證。

「巴克球非常的小、只有幾奈米大,沒有人能觀察到它是如何形成。因為如此,收縮膠膜假說仍然只是推測,其他人也提出了多種替代理論。」 Sandia國家實驗室研究人員 Jianyu Huang表示:「但是,眼見為憑,我們現在可以提供首個關於富勒烯形成過程的視訊檔案(參考下方原文連結),顯示透過蒸發所形成的巨大富勒烯收縮膠膜。」

觀察富勒烯形成的困難在於,在如此的高溫下,一直都無法讓它們保持靜止以取得照片影像。而Huang透過將它們裝在一種多壁奈米管(multi-walled nanotube)裏來保持靜止,以取得視訊。Huang是採用一種高解析度傳輸電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM),來進行以上的觀察。

不過,Huang在進行這項觀察時並未能證明收縮膠膜理論,而是當他在觀察富勒烯在多壁奈米管內形成、對該奈米管耐久性(durability)進行描述時。「當我研究多壁奈米管在高溫下的穩定性時,我偶然發現了這些巴克球的形成。」Huang表示。

在攝氏2,000度時,多壁奈米管的內壁直徑約為10奈米,並開始脫層(shed layer)──每個僅有原子等級薄度的石墨片層,在奈米管內側脫落,因此部份開始捲起成為球形。這些捲起的球形開始形成一個個由上千個碳原子組成的巨大富勒烯。而高溫蒸發雖使它們迅速地擺脫原子,同時保持它們的五角形結構;之後它們又在極高的熱度下被分解,直到它們達到碳60這樣可能是最小的體積。

除了確定了富勒烯的收縮膠膜構成方法外,Huang和他在美國Rice大學的同事(包括材料科學教授Boris Yakobson、研究助理Feng Ding和博士研究生Kun Jiao)則表示,他們的研究結果顯示了未來有可能可創造不同尺寸大小的富勒烯。

Huang表示:「我們的研究為製造適合不同應用、不同大小尺寸的富勒烯,提出了可能的方法;這些應用包括製造電子元件,或是為能量儲存提供媒介。」由於大型的富勒烯能把其它物質包在其中空核心裏,同時讓這些物質完全隔離於外在環境,因此大型富勒烯未來可用來填充氫氣,應用於氫燃料電池做為燃料儲存庫。

Yakobson在Rice的研究小組,在過去曾利用複雜的電腦模擬來預言Huang的觀察結果,而Huang的觀察則是首次透過直接實驗來驗證該模型。目前該研究小組正在擴展該電腦模型,並把Huang的新數據也加進來,並研究其控制機制,這樣就可以針對不同的應用製造不同尺寸大小的富勒烯。

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