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《元素家族》
碳的大家庭(三)教科书以外的新成员
鲁超   
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我们已经谈了碳单质的几种形态,其实就是碳的几种同素异形体,这在我们高中的时候都学过。你可能觉得,碳应该谈完了吧,其实不然,越来越多的碳的同素异形体被发现,而且都逐步走上了不同的舞台。

为了更好的让大家能看明白后面的内容,首先我们代表你们的化学老师帮你们复习一下高中化学。

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【这是金刚石(钻石)的结构,结构非常坚固,宏观上来说,硬度很大。】

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【这是石墨的结构,层与层之间依靠范德华力结合,这是很弱的分子间作用力,因此石墨很软。】

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【如果是这个样子呢?】


早在上世纪70年代,就有人提出60个碳原子可以以足球的方式组成一个分子的想法。1985年下面这三位科学家在氦气流中用激光汽化蒸发石墨,得到了C60分子,而且证明这个分子是球状结构,足球烯终于被找到了。这不是魔法,而是真实的科学!

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【1996年诺贝尔化学奖三位获得者。】

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【足球烯又称“富勒烯”,来自于美国建筑师巴克敏斯特·富勒,他在1967年蒙特利尔世博会上设计了球形美国馆,如图。诺贝尔奖获得者们为了表达对这位建筑师的敬意,以他的名字来命名足球烯。也叫“巴基球”,“巴基”是他名字“巴克敏斯特”的昵称。】


后来,科学家们发现C60只是碳的笼状结构系列的一个例子,接下来,又出现了C70,C240,C540等,如下图,这简直是一个小家庭了。

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【各种各样的富勒烯兄弟们。】


足球烯是被造出来了,但是它是否只适合做一个花瓶,供大家玩赏呢?因为我们也不可能把人类微缩到纳米级别,去用足球烯来踢世界杯的。

你还别说,还真有人用足球烯当足球踢的,只不过他们希望这种迷你足球能帮助他们证明一些原理。

【C60算是比较大的分子了,这样的分子会不会表现出量子力学的波粒二象性呢?这是物理学家很感兴趣的问题。1999年,维也纳大学的科研工作者用C60分子做简单的双缝干涉实验,结果表明,足球烯分子通过双缝之后出现了干涉条纹,表现出明显的波粒二象性。世界是量子的,不是经典的!】


C60还有一个非常奇异的个性,它在光照下会将氧分子分解成原子氧,这是一种强氧化剂,如果将C60加入化妆品,它会将外来的刺激物(自由基等)氧化,保护皮肤不受外来刺激。

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【C60已经开始被掺入护肤品当中。】


既然如此,C60当然会被药物学家盯上。研究抗癌药物的专家们正试图让C60随着一些定向药物进入癌细胞,用原子态氧杀死癌细胞。真心希望这项研究能够早日成功,抗击癌症,时不我待啊!

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【用富勒烯杀死癌细胞的机理。】


碳纳米管也属于富勒烯的家族,不同之处在于它的两端是连通的,而不是像富勒烯的闭合笼状结构,因此在它两端存在缺陷,这一点决定了它的很多性质。

【碳纳米管的构造。】

【碳纳米管和环氧树脂有天然的亲和力,将碳纳米管加入环氧树脂,可以改善环氧树脂的很多性能。在风电叶片复合材料里,碳纳米管的性能比碳纤维还要优异。使用碳纳米管-环氧树脂复合材料的游艇,可以降低自重。将掺入碳纳米管的环氧涂料涂在舰艇、飞机表面,可以吸收无线电波,达到雷达屏蔽、隐形的功能。】


碳纳米管没有风光太多年,它的风头就被自己的小兄弟盖过了,这个小兄弟就是石墨烯,它是目前最受科学技术工作者关注的希望之星!有人预言,它将彻底改变21世纪!身为一个化学人,在圈子内你要是没听说过石墨烯,你都不好意思跟别人打招呼。

还记得石墨吗,那是一个多层结构。很早之前就有人想,有没有可能得到其中的一层作为我们的材料呢?对,只要一层!

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【单层的石墨就是石墨烯。之前,理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯竟然在实验中被制备出来,而且是用很平庸的方法,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。】

【安德烈·盖姆&康斯坦丁·诺沃肖罗夫,因为发现石墨烯而获得2010年诺贝尔物理学奖。其实他们的方法简单的让人难以置信,就是用一根透明胶带粘在石墨上,然后撕下来,就获得了单原子厚度的石墨烯。在科学的领域里,就是要敢想敢做,诺奖其实没什么遥远的!】

【二位就是用这个简单的东东得到了最早的石墨烯。】


石墨烯与富勒烯、碳纳米管和石墨(碳纤维)的结构其实是类似的,因此相对于他们来说,另外三兄弟能干的事情,比如风电叶片、触摸屏等,石墨烯也能干,而且能干的更好,我们就不多提了。

【富勒烯(二维)、碳纳米管(一维)、石墨烯(零维)、石墨(三维)其实都是弟兄,这张图很好的解释了他们之间的关系。】


让我们看看石墨烯都有可能在哪些方面改变我们未来的生活吧:

【未来,石墨烯可以让我们的手机以后变成这样,你相信嘛?】

【前面介绍锂电池的时候我们提到了锂的好处,但是现在的情况仍然让贪婪的人们不满足。未来的石墨烯电池可以保证我们的手机一分钟充满电,而且不会发烫;可以让我们的电动汽车十分钟充好,然后驾驶1000公里以上。未来的生活,想想就刺激啊!】

【太空电梯,未来的奇迹!只有超高强度的材料才能做成如此壮举!如今火箭发射或航天飞机运送每公斤有效载荷约需2万美元,而未来的太空天梯运送每公斤物品仅需10美元。太空旅行,不再是梦!】

【摩尔定律进入21世纪似乎失效了,原因在于:电子在晶体硅中的速度是有极限的。石墨烯因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,电子在其中的运动速度可以达到光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯晶体管做成的计算机运算速度理论上可以超过传统计算机的1000倍,不要等传说中的“量子计算机”了,先把石墨烯晶体管用上吧!】

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【石墨烯发展前列的几个国家:美国、日本、中国、西班牙。中国加油!】


小测试:

1, 下列哪种物质是足球形状的?

A) 碳纳米管

B) 石墨烯

C) C60

D) 钻石

2, 碳纳米管和哪种复合材料有天然的亲和力?

A) 环氧树脂

B) 水

C) 酒精

D) 玻璃

-完-
我要评论
小分子团水 2018-01-24 11:34
作为一个化学系本科生,所学的知识都是非常专业性的,科普性不足。元素家族以幽默风趣的讲述方式,以化学元素为基本来讲述化学对人类、对社会方方面面的影响,十分不错!
钱一二 回复 小分子团水 不错
2018-02-26 15:41 回复
笑笑 2017-12-28 20:32
个人一点心得愚见,算几点体会:文章节奏特别稳当,彰显了作者深厚的文字功底和隐藏的相关知识的广博,文中俏皮地使用了一些幽默的句子,还选定了化学元素这一主题,非常契合学生业余生活的需要,引导大家深入记忆这些元素。另外跟本人正相反,使用了大量图片,这些图片本人仔细研究了一下,不是从网上复制的,而且图片整体效果规整,高人耶~
科普作品
元素家族
| 目录  (共17章)
评委点评 评语汇总

虽然,化学元素的科普,是一个很老的题材。但作者显然将最新的科研进展,融合到化学元素的科普中,时效性、时代性都很强。 写作风格幽默风趣,配图恰当,适合手机、网络等新媒体传播。

2018-01-08 20:01 郑永春 ——

全作以较为通俗的语言讲述了,十种元素从发现,到部分生活中的实际应用等方面的内容,从文字角度应该是不错的作品,老少皆宜。但在选取图片上,感觉部分图片选取的质量不高,需要改进。

2018-01-10 13:37 匿名 ——

一篇内容非常丰富的科普文章,相信如果不限制字数的他作者完全可以把现在所有已知元素全部写一遍。而且文中的科普内容不光是这些元素的化学性质,还有他们奇妙的特性以及科学家们发现他们的故事。可以勾起读者继续把他读完的欲望。而且据我所知作者鲁超自己也在运营一个科普相关的公众账号,这种不计回报的科普精神值得学习。

2018-01-24 15:39 匿名 ——

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