富勒烯與石墨烯聯手合作:新型態碳同素異形體

碳元素有多種同素異形體,其中包含鑽石、石墨烯、富勒烯及奈米碳管等等。其中富勒烯(Fullerene, C60)是第一種以人工方式合成的碳同素異形體,屬於由sp2混成的碳原子組成的多環聚合物,其分子形狀為封閉的中空球體。富勒烯的特性是高延展性,其延展性比鋼強100倍;高導電性,其導電性比銅強,重量卻只有銅的六分之一。剛提到富勒烯是封閉的中空球體,代表它的分子結構是有限的、有盡頭的;與之相反的則是石墨烯(Graphene),它一樣由sp2混成的碳原子組成,但其結構為無限的層狀二維結構。若有一種分子同時具有富勒烯的球體結構和石墨烯的無限二維結構,那它的性質會變得如何呢?

這樣天馬行空的結構確實在近日已被合成出來,該項研究是由美國的哥倫比亞大學及佛羅里達大學共同組成的研究小組所開發。平面上的每個C60都與相鄰的6個C60形成8個σ鍵,他們稱這種二維層狀的C60為Graphullerene,也是新型態碳同素異形體。Graphullerene的合成方法如下:在惰性氣體環境中將C60及鎂粉以莫耳比1:6的方式混和在一起,接著研磨成均勻的固體混和物,再壓製成片狀放入石英管中並封管。然後再將石英管置於溫度梯度為500℃至600℃的爐中烤24小時,再降至室溫形成鎂摻雜的多富勒烯晶體Mg4C60(polyfulleride crystal)。最後再以醋酸洗滌摻鎂多富勒烯,目的是將鎂從中移除,得到中性的多富勒烯Graphullerene。

關於Graphullerene的性質,研究小組目前發現該物質具有非常強的導熱性,甚至比C60還要強,佛羅里達大學化學助理教授、論文共同作者Austin Evans說明:「由於這種材料已被證明具有很強的導熱性,它可能在電路的熱管理或在航空的保護塗層上會很有用處。」

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