世界首例单成分碳凝胶诞生


  C60是一种球形碳分子,也被称为巴克球(buckminsterfullerene),科学家着迷的是它独特的性质,它可以潜在地应用于纳米技术和电子产品。现在,科学家已经发现,C60可能有另一个不寻常的特性:它可以形成单成分凝胶,只要在一定的条件下就可以。迄今为止,所有已知的凝胶都包含两部分:一种是均匀分布的物质(胶体),另一种物质可以溶解胶体(溶剂)。

  凝胶对于化学家而言是谜一样的东西。这些胶状材料并完全是固体,也不是液体。凝胶处于一种化学的朦胧地带,它们具有的许多特性属于两种状态的物质。

  如此混乱的情况是,化学家发现,甚至很难界定什么样才是凝胶,或什么性质是它的成分必须具备的。

  但有一件事情是他们同意的,那就是凝胶至少包含两个成分:一种液体成分和一种固体成分,它们形成一个松散的网络,把这些物质结合在一起。这就说明了凝胶状的属性是怎样出现的。

  现在,甚至这一点普通的认识可能也必须改变。如今,英国布里斯托尔大学(University of Bristol)的帕特里克•罗伊尔(Patrick Royall)和澳大利亚国立大学(Australian National University)的斯蒂芬•威廉姆斯(Stephen Williams)说,C60这种足球形状的碳可以形成凝胶,而且全靠它自身就可以。

  那么,怎么会这样呢?一段时间以来,化学家们已经知道C60可以形成几种不同状态的物质。它可以是一个固体水晶,这是举例而言。但是,众所周知它也可以形成簇,这些簇具有广泛的尺寸。它可以形成液体,但只是在有限范围的温度下(尽管这种液体稳定与否,没有人肯定)。

  这个问题会让化学家感兴趣,就是液体般的状态是否可以存在于簇一样的形态,这些簇随后会结合在一起,形成特有的网络结构,把凝胶状物质结合在一起。

  罗伊尔和威廉姆斯回答了这个问题,他创造了一种计算机模型来研究这种物质,然后看它是否稳定。他们的结论是它可以。“我们已经提出了很多证据,表明C60在适当条件下能形成凝胶,”他们说。

  这样一种物质会是一个奇怪的化学古董。这意味着,碳可以形成金刚石,石墨,石墨烯以及无数的碳六边形结构,比如管状和足球状之外,除此之外,碳也可以是一种凝胶,这种凝胶有一种特殊结构,叫做旋节凝胶(spinodal gel)。

  但是,还有更多的工作要做。知道一种物质能稳定显然是有用的,但这并不意味着可以制作出来。

  罗伊尔和威廉姆斯说,这种碳凝胶形成需要10纳秒,在室温下稳定,存在的时间尺度,他们可以模拟,这一时间尺度高达100纳秒。碳凝胶最终会分裂为水晶和气体。

  但是,这类模拟众所周知都很难以调整。有可能C60会更倾向于结晶。