一些研究人員正在熱切探索新發(fā)現(xiàn)的被稱(chēng)為富勒管的碳晶體的特性。

碳可以排列成自然界中最堅(jiān)硬的材料之一，也可以排列成一種柔軟的材料。幾十年前，科學(xué)家開(kāi)始想：除了鉆石和石墨，碳還可能采取哪些其他晶體形式？

1985年，他們得到了第一個(gè)答案。一群化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子組成的小空心球體，他們稱(chēng)之為buckminsterfullerenes，簡(jiǎn)稱(chēng)buckyballs或fullerenes。（這些晶體類(lèi)似于大地測(cè)量圓頂）隨著研究人員競(jìng)相發(fā)現(xiàn)所謂的最美麗的分子的性質(zhì)和應(yīng)用，一個(gè)新的化學(xué)領(lǐng)域圍繞納米寬球體出現(xiàn)了。

發(fā)現(xiàn)了更大的富勒烯。然后，幾年后，日本物理學(xué)家Sumio Iijima的一篇論文引發(fā)了人們對(duì)一種相關(guān)碳形式的興趣，最初被稱(chēng)為buckytubes，但現(xiàn)在被稱(chēng)為碳納米管：由碳原子蜂窩晶格制成的空心圓柱體，像衛(wèi)生紙管一樣卷起來(lái)。

我是斜杠青年，一個(gè)被前沿科技耽誤掙錢(qián)的“雜食性”學(xué)者！

碳晶體具有其他元素似乎無(wú)法比擬的電、化學(xué)和物理特性。當(dāng)三位巴基球的發(fā)現(xiàn)者羅伯特·庫(kù)爾、哈羅德·克羅托和理查德·斯莫利獲得1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，圍繞碳納米科學(xué)的興奮感更高。然后在2004年，物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov找到了一種分離碳原子片的方法——一種被稱(chēng)為石墨烯的晶體——點(diǎn)燃了自那時(shí)以來(lái)一直持續(xù)的研究的又一次爆炸，并為自己贏得了2010年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。

最近，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一種碳晶體——這次，更不用說(shuō)大張旗鼓了。大多數(shù)為這個(gè)故事聯(lián)系的碳專(zhuān)家仍然沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)。到目前為止，全球的整個(gè)供應(yīng)量可能達(dá)到毫克，大約是少數(shù)家蠅的質(zhì)量。?

弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的化學(xué)家Harry Dorn表示，這些最新的碳結(jié)構(gòu)介于球形富勒烯和圓柱形納米管之間；它們是兩者的“納米結(jié)合”，形狀像藥膠囊，他與分子的最初發(fā)現(xiàn)者普渡大學(xué)的史蒂文·史蒂文森合作。Stevenson和Dorn將晶體命名為Furlertubes。

Fullertubes結(jié)合了富勒烯和納米管的最佳功能。他們的屬性如何或是否有用還有待觀察。

Fullertubes的采礦

fullertube世界的中心是一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，大小相當(dāng)于印第安納州普渡大學(xué)韋恩堡校園的客廳大小。在那里，史蒂文森和他的小本科生骨干收集并分類(lèi)了新發(fā)現(xiàn)的分子，這些分子由不同寬度和長(zhǎng)度的圓柱體末端的半球帽組成。

2020年，史蒂文森和合作者宣布了全管家族的第一位成員，這是一個(gè)90原子分子，本質(zhì)上是由30原子納米管中段連接的兩半。他們發(fā)現(xiàn)了該分子以及兩個(gè)由96個(gè)和100個(gè)碳原子組成的較大的兄弟姐妹。

今年，史蒂文森和多恩描述了另外兩個(gè)全管，它們都由120個(gè)碳原子組成。他們的研究表明，這些藥丸狀分子中較窄的分子具有導(dǎo)電性，而更寬、較短的分子——有趣的是半導(dǎo)體，這意味著它可能可用于晶體管和其他電子器件。Fullertubes還具有一系列光學(xué)和拉伸特性，研究人員仍在探索這些特性。

1985年，西雅圖系統(tǒng)生物學(xué)研究所的James Heath在與Curl和Smalley合作的研究生時(shí)幫助隔離了第一批富勒烯，他稱(chēng)新的富勒管是“可愛(ài)的結(jié)構(gòu)”，遵循了最初導(dǎo)致他和他的同事尋找富勒烯的幾何規(guī)則：12個(gè)五邊形和偶數(shù)六邊形可以形成一個(gè)封閉的外殼的規(guī)則。（例如，巴基球的六邊形和五邊形與足球的圖案相同。Fullertubes保持規(guī)則，同時(shí)添加額外的六邊形帶。）

這些分子多年來(lái)一直被藏在長(zhǎng)期以來(lái)一直是富勒烯主要來(lái)源的特殊碳煙中。但在2020年，史蒂文森終于想出了如何從更豐富的富勒烯中挑選管狀膠囊。

這種特殊的煙灰通常是通過(guò)在室內(nèi)石墨棒上蒸發(fā)碳制成的。當(dāng)碳蒸氣在室內(nèi)壁上冷卻時(shí)，它的大部分會(huì)凝結(jié)成富勒烯，但罕見(jiàn)的富勒管也形成，像寶石一樣撒在一座山的渣中。史蒂文森的魔術(shù)依賴(lài)于被稱(chēng)為胺的水溶性分子。這些被吸引到碳原子的六邊形排列附著在五邊形排列的地方——這些交叉點(diǎn)出現(xiàn)在富勒烯上。另一方面，納米管對(duì)胺沒(méi)有吸引力，因?yàn)樗鼈冎挥辛呅?，而全管子部分受到納米管中段的胺侵害。因此，當(dāng)胺與富勒烯結(jié)合，使其可溶于水中時(shí)，未反應(yīng)的富勒管仍然不溶；史蒂文森可以簡(jiǎn)單地沖洗富勒烯，留下富勒管。

然后，他通過(guò)機(jī)器運(yùn)行富含富勒管的樣品，這些機(jī)器根據(jù)分子的質(zhì)量和微妙的化學(xué)差異分離分子，產(chǎn)生具有均勻質(zhì)量、形狀和性能的純凈全管集合。

專(zhuān)家表示，分離純凈、均勻的全管樣本的能力使分子比其他分子更具吸引力。富勒烯也可以分離，但它們?nèi)狈﹄姎夂凸鈱W(xué)特性，使富勒管和納米管有望成為電路或光基傳感器的組件。與此同時(shí)，純度仍然是納米管研究人員的夢(mèng)想，他們經(jīng)常處理一堆隨機(jī)長(zhǎng)度和直徑的管子，甚至嵌套管子。那么，fullertubes能克服阻礙其堂兄弟的障礙嗎？

Buckyballs怎么了？

在1991年《科學(xué)美國(guó)人》雜志的一篇文章中，Curl和Smalley想象了buckminsterfullerenes的革命性應(yīng)用，包括新的碳基超導(dǎo)體、電子產(chǎn)品和潤(rùn)滑劑。他們寫(xiě)道：“散裝C60的多功能性似乎每周都在增長(zhǎng)?！?/p>

五年過(guò)去了?！吧形串a(chǎn)生任何實(shí)際有用的應(yīng)用程序，”諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在1996年的一份新聞稿中寫(xiě)道，宣布Curl、Kroto和Smalley因發(fā)現(xiàn)buckminsterfullerenes而獲得了化學(xué)獎(jiǎng)，“但這早在宏觀數(shù)量的富勒烯可用六年后就沒(méi)有預(yù)料到?！?/p>

四分之一個(gè)世紀(jì)后，最初希望的產(chǎn)品都沒(méi)有上市。你可能在商業(yè)上遇到buckyballs的少數(shù)地方是化妝品和膳食補(bǔ)充劑，它們吹捧該分子作為抗氧化劑的潛力。然而，這兩種產(chǎn)品類(lèi)型都不需要FDA的批準(zhǔn)，幾項(xiàng)研究表明，buckyballs有毒性的跡象。（一項(xiàng)研究似乎支持健康益處，至少在延長(zhǎng)受電離輻射影響的小鼠的壽命方面；另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)小鼠沒(méi)有延長(zhǎng)壽命的好處。）

加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家Michael Crommie認(rèn)為富勒烯主要對(duì)形成通往其他碳晶體的痕跡具有重要意義。因?yàn)槲覀冇邪突?，這導(dǎo)致了納米管，并最終導(dǎo)致了石墨烯。

納米管比富勒烯在科學(xué)和商業(yè)上取得了更大的成功。你可以在五金店取貨，在那里，它們可以在“納米膠帶”或“gecko膠帶”中找到，這些膠帶使用晶體進(jìn)行粘附，就像蜥蜴的腳使用微小毛一樣。納米管非常堅(jiān)固，性能可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材——除了沒(méi)有人能夠制造出足夠長(zhǎng)度的納米管來(lái)進(jìn)行超強(qiáng)布線。盡管如此，納米管在混合到織物、船體、高性能車(chē)身和網(wǎng)球拍中時(shí)會(huì)增加強(qiáng)度。它們還廣泛用于水過(guò)濾和提高某些電池的性能。

但是，盡管這些應(yīng)用涉及大量不同長(zhǎng)度和直徑的納米管，但更開(kāi)創(chuàng)性的應(yīng)用，如精密納米傳感器，將需要彼此相同的納米管。例如，由不同納米管構(gòu)建的兩個(gè)傳感器對(duì)同一刺激的反應(yīng)不同。電子產(chǎn)品需要統(tǒng)一的組件才能以可預(yù)測(cè)的方式運(yùn)行。

也許找到一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)隔離純納米管的人可能會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，就像Geim和Novoselov獲得物理學(xué)獎(jiǎng)一樣，不是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了石墨烯，而是因?yàn)榉蛛x了石墨烯。

馬里蘭大學(xué)的YuHuang Wang等研究人員正在開(kāi)發(fā)一種剪切長(zhǎng)納米管以產(chǎn)生特定長(zhǎng)度的方法——這是一種艱苦的自上而下技術(shù)，從混合納米管開(kāi)始，并將其轉(zhuǎn)換為相同部分的集合。其他研究人員正試圖自下而上逐個(gè)原子構(gòu)建納米管，但這種方法既錯(cuò)誤又昂貴。

石墨烯具有均勻的單層板，是碳納米材料的真正潛力將實(shí)現(xiàn)的地方。通往碳基電子和磁性器件的最佳途徑是將石墨烯絲帶修剪成有用的形狀——這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室中復(fù)雜的電子設(shè)備。

1985年，buckminsterfullerenes（左起）、Sean O’Brien、Richard Smalley、Robert Curl、Harry Kroto和James Heath的發(fā)現(xiàn)者在休斯頓萊斯大學(xué)的草坪上。

Fullertubes的嬰兒步驟

那么，什么角色（如果有的話(huà)）可能會(huì)被fullertubes填補(bǔ)？由于晶體是均勻的，可以是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，Stevenson和Dorn想象它們可能會(huì)像納米大小的樂(lè)高積木一樣連接在一起，制成微型電子產(chǎn)品。

Boghossian將納米管插入細(xì)胞中，以研究?jī)?nèi)部環(huán)境。它依賴(lài)納米管熒光：結(jié)構(gòu)吸收一種顏色的光，發(fā)射另一種顏色的光，光的變化揭示了有關(guān)細(xì)胞狀況的信息。但熒光取決于納米管的結(jié)構(gòu)，它們之間的差異使信號(hào)更難解釋。最短的全管不會(huì)熒光，但較長(zhǎng)的管會(huì)顯示出熒光。如果更長(zhǎng)時(shí)間的全管更強(qiáng)烈地?zé)晒猓@將對(duì)光電子應(yīng)用有很大幫助。

自2020年以來(lái)，根據(jù)對(duì)學(xué)術(shù)出版物的搜索，大約22700篇論文中提到了富勒烯。納米管出現(xiàn)在93000個(gè)。對(duì)石墨烯的搜索顯示引用量超過(guò)20萬(wàn)次。對(duì)于fullertubes，截至我寫(xiě)這篇文章時(shí)，相關(guān)出版物的歷史總數(shù)為94種。

隨著時(shí)間的推移，如果研究發(fā)現(xiàn)與納米管相似的特性，更多的研究人員可能會(huì)躍向更豐滿(mǎn)的管，并增加精確長(zhǎng)度的好處。盡管如此，這需要一些適應(yīng)，因?yàn)槿藗円簧荚谘芯考{米管[和其他碳形式]。

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