巴基管与金属——碳烯

C60 从发现到较大量制备经历了 5 年时间，比 C60 幸运的是，在巴基管发现之后仅隔一年，科学家就能得到宏观数量的这种神奇微管.1992 年日本电气公司基础研究室的埃比森（T. W. Ebbesen）和艾贾安采用电弧放电技术在氦气气氛中成功地合成了数量达若干克的巴基管.与产生 C60 的方法相比，合成巴基管要求有更高的氦气气压，埃比森等发现 66650 帕的氦气压为最佳. 在合适的条件下，一种含碳的沉积物在石墨棒上形成，其中含有大量纯净的

巴基管和具有纳米尺度的粒子，巴基管的纯度和产率灵敏地依赖于惰性气体的压力.将巴基管与纳米粒子分离是不十分容易的，尽管它们的大小和形状都有很大差别.巴基管的较大量制备方法对于人们深入了解这种神奇微管的性质并研制新型富勒烯材料奠定了基础.

在通常电弧法基础上加以改进，美国宾夕法尼亚州立大学的卡迪尔（S. F. Cartter）等人合成了宏观数量的金属-碳原子团簇 Ti8C12 和 V8C12.他们在氦气气氛中使金属石墨复合物电极之间放电，在沉积下来的黑色烟灰中就含有大量的这种金属-碳烯以及一些全碳分子富勒烯（如 C60）.用这种方法可以产生宏观数量的固态 Ti8C12 和 V8C12，这些物质在空气中均保持稳定.

由此可见，电弧法是富勒烯工厂采用的基本技术手段，通过适当改变条件，如改变放电电极及惰性气体压力等，几乎可以生产所有富勒烯.虽然富勒烯分子的形成机制还不是十分清楚，但这些球形或管状结构的分子都是通过在放电的激烈环境下使石墨蒸发然后在合适的条件下使碳原子或石墨碎后相互结合并发生封闭形成的.人们可从生产富勒烯的方法获得这类分子形成机制方面的信息并有助于研究制备具有其他结构和形状的富勒烯或类富勒烯分子.

既然电弧法可以产生各种富勒烯分子，并且巴基球和巴基管都可由石墨电极放电来产生，那么这些球形和管状分子的产生过程是否存在某种相互联系呢？叶利兹安等人提出了巨型富勒烯也可以通过较小的富勒烯分子（如 C60 和 C70 ）来合成.对于巴基球的形成过程，美国西北大学的狄拉维（V. P. Dravid）等人设想也可通过巴基管形成巴基球，这种设想的原理如图 3-13 所示.在放电条件下，石墨层发生破裂并弯曲形成巴基管，然后在电弧附近的巴基管发生断裂，在碳蒸汽中通过添加碳原子或本身弯曲而封闭，形成球形富勒烯分子，没有闭合的巴基管碎块形成残余物.可以看到，富勒烯分子在形成过程中各种结构和形式之间存在着联系和转化，认识这一点不仅有利于研究富勒烯分子的形成过程，而且可为大量制备各种富勒烯提供行之有效的方法.

随着研究的深入，富勒烯家族也在不断发展壮大，碳的其他结构的团簇形式是否存在以及其他各种元素的原子能否形成类似富勒烯的结构都是人们关心的问题.据理论预言，可能还存在一种负曲率的碳分子结构.其他分子团簇甚至金属原子的球状物也开始被认识.这说明，以 C60 为代表的富勒烯包含了丰富多彩的内容，除这些分子本身具有引人入胜的结构和性质外，对富勒烯进行化学修饰还可得到各种各样有趣的物质，加之富勒烯家族及其衍生物所具有的独特的物理化学性质，使它成为物理学、化学和材料科学中一个充满活力的、有前途的研究方向.