美國科學家破解巴基球籠狀碳分子形成之謎

2020-12-03 科教臺

　　據物理學家組織網8月1日（北京時間）報導，經過25年的探索，科學家們最近揭開了富勒烯家族中巴基球的籠狀碳分子形成之謎。

　　美國佛羅裡達州立大學和美國國家科學基金會支持的國家高磁場實驗室的研究團隊取得的這一成果，清晰地展示了巴基球是如何自組裝成籠狀結構的，其對於碳納米技術的發展意義重大，同時也為探究宇宙中廣泛存在的太空富勒烯的起源提供了重要線索。

　　科學家們於1985年發現了富勒烯。富勒烯是完全由碳組成的中空的球型、橢球型、柱型或管狀分子的總稱，很像足球的球型富勒烯叫做巴基球，其含有60個碳原子。高度對稱、性質迷人的巴基球分子最開始是如何形成的，一直是25年來科學家力求破解的謎題。這一秘密一直保守至今的原因在於，C60分子是在高能條件下以極快的速度生成。「這一過程簡直就是在瞬間完成的——要看到它們如何魔術般地生成，這幾乎不可能。」該研究論文的首要作者、佛羅裡達州立大學化學和生物化學系博士生保羅·鄧克說。

　　研究團隊採用一種巧妙的方法來驗證巴基球的形成，他們在《自然·通訊》雜誌上發表論文描述道：「我們先將業已存在的富勒烯分子與碳和氦混合，然後用雷射轟擊，並利用國家高磁場實驗室的9.4特斯拉傅立葉變換離子迴旋共振質譜儀，對雷射轟擊過程中產生的幾十種分子進行分析。我們驚奇地發現，富勒烯分子非但沒有被摧毀，反而在生長。富勒烯能夠從周圍的氣體中吸收碳並與碳相結合，自組裝成籠狀的巴基球。」

　　他們還通過使用中心包含有重金屬原子的富勒烯證明，巴基球的碳「籠子」在整個過程中始終是封閉著的。「如果籠子在生長時裂開，我們就將失去金屬原子，但它們一直被鎖在裡面。」鄧克說。

　　最新研究成果對於了解地外環境中富勒烯形成將有重要意義。美國國家航空航天局最近發布的報告顯示，C60晶體也存在於圍繞遙遠恆星的軌道上。這表明，宇宙中的富勒烯可能比以前認為的更為普遍。「我們的研究結果對於破譯外星環境中富勒烯的形成必定極有價值。」參與該研究的佛羅裡達州立大學化學家、曾因發現C60而榮膺諾貝爾獎的哈裡·克羅託說。

　　這項研究也為深入了解其他碳納米材料，如碳納米管和碳家族「新貴」石墨烯的自組裝過程奠定了基礎。（記者陳丹）

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