材料化学一06a共价晶体

《材料化学一06a共价晶体》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料化学一06a共价晶体（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2.6 共价晶体共价晶体1 前面指出：两种电负性相差较大的原子相互靠近时就可能形成离子键，而由离子键构成的晶体就称为离子晶体。“电负性相差较大”显然是一个笼统的概念，“较大”到底是多大？而当两种原子的电负性差值相对于这个“较大”来说又“较小”一些的话，原子之间的结合又将会是什么状态？为了解释这些问题，并从最简单的角度来认识共价晶体，我们先来复习一下电负性这个概念以及由这个概念引出的一些经验规律。 2n电负性是原子的电离能和电子亲合能的函数。 n原子的电离能指的是气态原子失去电子而成为气态离子所需要的能量。气态原子失去第一个电子而成为一价气态阳离子所需要的能量称为原子的第一电离能，用I1表示；而

2、一价气态阳离子再失去一个电子而成为二价气态阳离子所需要的能量称为原子的第二电离能，用I2表示；其余类推。 n原子电子亲合能指的是原子获得一个电子成为一价阴离子时所放出的能量，用Y表示。 2.6.1 原子的电负性原子的电负性3把 k(I + Y) 作为原子电负性 X 的度量，即 X = k(I + Y)。这里的 k 为任意常数。如果 I 和 Y 以电子伏特 (eV) 为单位，则通常令 k = 0.18，以使 Li 原子的电负性 X = 1，因此有 n电负性越大的原子越容易得到电子而形成阴离子，电负性较小的原子则容易失去电子而成为阳离子。n由于大多数原子的电子亲合能的数值尚未确定，因此原子的电负性

3、也还没有准确的数值。4鲍林在对大量晶体进行分析的基础上，提出了一种根据电负性差值判断两种原子之间的化学键键型的经验方法：如果两个原子 A 和 B 形成化学键，则由键的离子组分引起的共振能与 (XA XB)2 成正比，而键的离子性百分比 P 则可以由以下的经验公式确定： 5P = 50%x = 2.16n当X = 2.1时，P = 50%。这时原子间的化学键离子性成分和共价性成分相当。n当X 2.1时，化学键主要是离子性的n而当X 2.1时，化学键则主要是共价性的。 n鲍林的经验公式在实际应用中还有许多的限制条件，加之电负性数值本身的不确定因素也很多，因此以电负性差值判断化学键中离子性百分数做法

4、仅仅只是有一些定性的参考价值。 72.6.2 价键理论价键理论 1916 年美国化学家 Lewis 提出共价键理论。他认为：分子中每个原子都应具有稳定的惰性气体电子层结构, 可以通过原子间共用一对或几对电子来实现, 这种靠共用电子对结合的化学键这种靠共用电子对结合的化学键叫共价键。叫共价键。 NNNN+HHClCl8q共价键概念的提出成功地解释了诸如 O2、H2、HCl 等化合物的形成机制，并揭示出了共价键与离子键之间的区别。但是，共价键的饱和性和方向性仍然没有得到解释，共价键的本质也仍然不是很清楚。q1927 年，量子力学理论被海特勒和伦敦用于处理 H2 分子结构，第一次揭示出了共价键的本质

5、。9H2 分子中的化学键分子中的化学键V0Drro量子力学计算表明，两个具有 1s1 电子构型的 H 彼此靠近时， 两个 1s 电子以自旋相反的方式形成电子对，使体系的能量降低。10 从电子云的观点考虑，可认为从电子云的观点考虑，可认为 H 的的 1s 轨道在两核间重叠，使电子在两核间出现轨道在两核间重叠，使电子在两核间出现的几率大，形成负电区。两核吸引核间负的几率大，形成负电区。两核吸引核间负电区，使电区，使 2 个个 H 结合在一起。结合在一起。11 鲍林进一步发展了海特勒和伦敦的研究成果，建立了现代价键理论 (杂化轨道理论和价层电子对互斥理论)，从而使我们对共价化合物的形成有了更清楚的认

6、识。12价键理论：共价键的本质价键理论：共价键的本质 自旋相反的两个单电子原子相互靠近时，原子轨道可以发生最大限度的重叠，使两原子核间出现了电子 云密集区域，这一方面降低了两核间的正电排斥，另一方面增加了两个原子核对核间负电荷区域的吸引，使体系能量降低，从而形成了共价键。可见共价键的本质也是电性的。-+-13价键理论：共价键成键原理价键理论：共价键成键原理v电子配对原理：电子配对原理： 两原子如有反相自旋的成单电子，它们可以相互配对形成稳定的共价键。v能量最低原理：能量最低原理：两原子轨道相互重叠形成分子时，放出能量使体系能量降低，放出能量越多共价键越稳定。v原子轨道最大重叠原理：原子轨道最大

7、重叠原理：键合的原子间形成化学键时，成键电子的原子轨道要发生最大程度的重叠，形成的化学键越稳定。14共价键的特点：饱和性共价键的特点：饱和性两个原子之间形成的共价键的数量与原子中含有的未成对电子的数量有关。各含有一个未成对电子的两个原子之间只能形成一个共价键，而各含有两个或三个未成对电子的两个原子之间就可以分别形成两个或三个共价键。如果 A 原子中含有一个未成对电子，而 B 原子中含有两个未成对电子，那么 A 原子和 B 原子之间也只能形成一个共价键。一个原子中一个未成对电子与另一个原子中的未成对电子配对后，就不能再与其他原子的未成对电子配对。15共价键的特点：方向性共价键的特点：方向性在形成

8、共价键时，两个原子的电子云重叠得越多，所形成的共价键就越稳定。在主量子数相同的原子轨道中，哑铃形的 p 轨道的电子云密度在沿对称轴方向上的伸展比球形的 s 轨道大，因此一般情况下 p 轨道形成的共价键较 s 轨道形成的共价键更为牢固。根据这一分析，共价键形成时一定会选择电子云密度最大的方向，这就使得共价键具有了一定的方向性。 16共价键的类型：共价键的类型：I, 键键q原子轨道沿键轴方向以头碰头方式重叠所形成的共价键称为键q键在键轴上成键，轨道重叠最大，最稳定，键能也最大。17+1sz+3pzzHCl 分子中的 3p 和 1s 的成键： Cl 的 3pz 和 H 的 1s 轨道重叠，只有沿着

9、z 轴重叠，才能保证最大程度的重叠，而且不改变原有的对称性。+18Cl2 中的 3p 和 3p 的成键：pzz pz+z +19共价键的类型：共价键的类型：II, 键键v原子轨道以“肩并肩”方式重叠，形成的共价键叫 键。v 键的重叠程度小于键，键能小于键，稳定性低，是化学反应的积极参与者。20xx+px z21 N2 分子中两个原子各有三个处于 p 轨道的单电子,沿 z 轴成键时，pz 与 pz “头碰头” 形成一个 键 。px 和 px，py 和 py 以“肩并肩”形式重叠形成两个 键。所以 N2 分子的 3 键中，有 1 个 键，2 个 键 。222.6.3 杂化轨道理论杂化轨道理论 价键

10、理论法成功地解释了共价键的形成过程和本质，即共价键的方向性，饱和性。但是却无法解释某些分子的空间构型。23CH4：实验测定是四面体，四个 C-H 键相等，HCH=109028q根据价键理论：C 原子的基态为 2s2 2px1 2py1, 只有 2 个单电子。只能形成二个 CH 键。q若将 2s2 激发而形成 2s1 2px1 2py12pz1，则可形成四个 C-H，但 4 个 C-H 键不等同，与实际观察到的空间结构不符。q为了解释 CH4 分子的空间构型，鲍林于1931年提出了杂化轨道理论。24杂化轨道理论：相关概念杂化轨道理论：相关概念v杂化：原子在形成分子时，中心原子若干条能量相近的不同

11、类型轨道混合起来重新组成一组数目相同的新原子轨道，这种重新组合的过程叫杂化。v杂化轨道：经杂化而形成的新的轨道叫杂化轨道。v等性杂化：由不同类型的原子轨道混合，重新组合成一组完全相同 (能量相同，成分相同) 的杂化轨道叫等性杂化。v不等性杂化：由于杂化轨道中有不参加成键的孤对电子，而使各杂化轨道中成分不等同，这种杂化叫不等性杂化。25CH4 等性的 sp3 杂化激发激发杂化杂化sp3重叠成键重叠成键26杂化轨道理论：杂化轨道的特点杂化轨道理论：杂化轨道的特点v不同类型的杂化轨道有不同的空间伸展方向，不同的构型，因此使形成的分子，具有不同的空间构型，杂化轨道在空间的排布应使轨道彼此之间斥力最小。

12、27常见的杂化轨道及其键的空间分布常见的杂化轨道及其键的空间分布杂化类型：sp 杂化杂化轨道数量：2键的空间分布方式：直线28常见的杂化轨道及其键的空间分布常见的杂化轨道及其键的空间分布杂化类型：sp2 杂化杂化轨道数量：3键的空间分布方式：指向等边三角形顶角的平面分布 29常见的杂化轨道及其键的空间分布常见的杂化轨道及其键的空间分布杂化类型：dsp2 杂化杂化轨道数量：4键的空间分布方式：指向正方形顶角的平面分布 30常见的杂化轨道及其键的空间分布常见的杂化轨道及其键的空间分布杂化类型：sp3 杂化杂化轨道数量：4键的空间分布方式：指向正四面体顶角的空间分布 31常见的杂化轨道及其键的空间分

13、布常见的杂化轨道及其键的空间分布杂化类型：d2sp3 杂化或 sp3d2杂化杂化轨道数量：6键的空间分布方式：指向正八面体顶角的空间分布32常见的杂化轨道及其键的空间分布常见的杂化轨道及其键的空间分布杂化类型：d3sp 杂化杂化轨道数量：6键的空间分布方式：指向三角棱锥顶角的空间分布33q共价键分子的键角或共价晶体中配位多面体的几何构型与原子杂化轨道的类型有关。 q知道了原子杂化轨道的类型，就可以推测出共价晶体结构中配位多面体的几何形状。342.6.4 共价晶体及其结构共价晶体及其结构q由共价键结合而构成的晶体称为共价晶体。q组成共价键的两个原子共用一对电子，原子没有得到电子也没有失去电子。因

14、此共价晶体有时也称为原子晶体。q共价键具有一定的方向性和饱和性，因此共价晶体中原子结合的方向和配位数均有限制。一般情况下，共价晶体中原子的配位数都比较小，而且不太可能超过 4。35q由于共价键结合相当牢固，所以共价晶体的结构稳定，硬度和熔点较高。q由于参与成键的电子都被束缚在原子之间而不能自由运动，因此共价晶体一般都是良好的电绝缘体。 36闪锌矿结构 q在关于离子晶体的讨论中，曾经把闪锌矿结构当作一种典型的离子晶体结构加以了讨论。当构成闪锌矿结构的两种原子的离子半径之比 R+/R足够小时，相应形成的晶体可以看成是离子晶体。 q对于很多具有闪锌矿结构的晶体来说，结构中的化学键并不是完全的离子键，

15、而是含有一定共价键成分的离子键。即使是 ZnS 也是如此。 qZn2+最外层有 18 个电子，而S2的极化率高达 10.2 103 nm3，所以在 ZnS 中离子极化是很明显的。离子极化改变了阴离子和阳离子之间的距离和键的性质，使得 ZnS 中的离子键含有了很大程度的共价键成分。 37ZnS 有时也会表现为具有另一种称为纤锌矿 (ZnS) 的结构，这是一种典型的共价晶体。 38纤锌矿结构S2作六方最紧密堆积Zn2+占据了二分之一的四面体空隙u = 0.87539纤锌矿与闪锌矿在结构的差别仅仅在于阴离子紧密堆积的层次不同：前者为ABAB型的六方最紧密堆积，而后者则为ABCABC型的立方最紧密堆积

16、。40在 AB 型共价晶体中，既具有闪锌矿结构又具有纤锌矿结构的有 ZnS、ZnO、AlN、AlP、HgS、CuCl 等。 41 金刚石的化学成分是C，是目前已知的硬度最高的材料，可以作为高硬切削材料和磨料、钻井用的钻头等。纯净的金刚石具有极好的导热性，因此可以作为集成电路中的散热片。天然的金刚石矿物中通常含有Si、Al、Ca、Mg、Mn、Ti、Cr、N等杂质。纯净的金刚石无色透明，含有微量杂质时将产生不同的颜色，如含Cr呈天蓝色，含Al呈黄色，含石墨则呈黑色。人们通常所说的钻石就是金刚石，为宝石之冠，极为珍贵。目前金刚石已经能够人工合成。 金刚石结构金刚石结构42金刚石结构每个C原子通过 s

17、p3 杂化轨道和相邻的 4 个 C 原子形成共价键，这样的共价键贯穿于整个晶体中 注意金刚石结构与闪锌矿结构之间的相似性43一道习题一道习题44石墨结构在这一平面上，碳原子采用sp2杂化轨道，键角120，形成正六边形结构。此外每个碳原子还多余一个 p 轨道和一个 p 电子。这些电子可在整个层面上自由运动，这就使得石墨具有金属光泽和导电性。层与层之间的距离远大于共价C-C键长，为范德华力结合。因此层与层之间很容易发生滑移。因此石墨可以作为润滑剂和铅笔芯使用。石墨是一种多键型晶体，不像金刚石只具有单一的共价键。石墨平面中碳碳键是自然界中已知的最强的化学键之一，石墨中 C11 的弹性常数达 1060

18、 GPa。 45碳是地球上储量最丰富的元素之一，也是组成自然界包括我们人类本身的最基本元素之一。由单一元素组成的纯碳物质，由于形成的结构不同，因而性能各异。具有立方结构的金刚石特别坚硬，而具有六角平面结构的石墨就格外柔软。 长期以来，人们一直认为碳只有石墨和金刚石这两种结构。到了 1990 年 5 月，一种结构奇妙的碳的形态被发现了，一个新的时代由此而开始了 这种新的形态就是 C60。462.7 C60 与碳纳米管与碳纳米管C60 是由 60 个碳原子组成的球形分子，是由 20 个 6 元环和 12 个 5 元环围成的一个封闭的球形分子，形同足球。C60 分子中有 60 个顶点，90 条棱边。

19、球形分子的直径约为 10 埃，内有 1 个空腔，直径为 3.6 埃，可以容纳一个其它原子。每个碳原子余下 1 个 p 轨道，可以组成 60 个 p 轨道形成的共轭 键，这种共轭称为球面共轭。47固态 C60 的晶体结构已经由 X-射线粉末衍射分析确定为面心立方结构，晶格参数 a = 1.420 nm。每个单胞中含有 4 个 C60 分子，分别占据顶角和面心位置。C60 之间主要由范德华力相结合。48 C60 因其独特的原子 结构而具有独特的性格，它的强度是钢的 200 倍，它的硬度甚至超过了 “以硬度之王”著称的金刚石。由于碳是构成有机分子的基础元素，C60 具有耐压、耐磨、抗腐蚀、抗辐射等无

20、与伦比的化学、物理性能，被科学家们称为 “21世纪的科学圣诞树”，化学、物理、材料众多领域的研究者都能从中摘取自己的丰硕成果。 49q C60 是非极性分子，通过分子间力形成分子晶体, 因此熔点低密度小，易溶于苯、甲苯等有机溶剂。q由于球烯类分子中存在着交替的单双键，因而表现出很强的芳香性和热稳定性，如可与F2、H2等非金属发生分步加成反应，生成C60F6、C60F36、C60H36、C60H60等多种加成产物。50q球烯可与金属、特别是碱金属反应，生成内含式和外接式等多种离子化合物。q前者如La3+嵌入 C60 分子空腔，生成用化学式 LaC60表示的离子化合物；q后者如 K3C60，其晶体

21、结构中C603-作等径圆球的立方面心最密堆积，3个K+分别填入C603-密堆所形成的八面体空隙和四面体空隙中。q除以上两种结构外，还有多种型式的化合物。 51n在笼形碳家族中，除了 C60 外，还包括有一系列碳原子团簇。如巴基小球 C32 和 C44，巨型富勒苯 C540 和 C960 等。nC60 是一个具有完美对称性的球体，而 C70 以及分子量再高一些的富勒苯则像橄榄球或鸡蛋。n随着碳原子数的不同以及形成阶段的不同，碳原子团簇表现出形态各异、种类繁多的特点。52n1991 年,MIT 的科学家发现只要在富含碳的适合环境下，巴基球就能够自然地产生并存在n1992 年,美国科学家在俄罗斯彼得

22、堡附近的一处前寒武纪沉积岩层中发现了 C60 和 C70 富勒烯n1994 年，还是美国科学家在加拿大安大略省已有 18.5 亿年的萨德伯里石撞击坑中发现了巴基球 n美国德克萨斯州赖斯大学的迪特尔海曼在新西兰的一些6500 万年前白垩纪末的矿床沉积中也发现了巴基球 对对 C60 的研究远远超出了材料范畴的研究远远超出了材料范畴53n一些与巴基球光谱相吻合的来自星际空间的某种辐射，显示了巴基球在星际尘埃中的存在 n1999年美国科学家在1969年坠落于墨西哥的阿连德陨石的碎块中发现了巴基球：宇宙巴基球可以小行星、陨石等天体为载体撞击地球而坠落于世，成为地质巴基球 n通过对二叠纪与三叠纪界线层沉积

23、中巴基球笼内封存的惰性气体原子结构的研究，确认了它们是地外成因产物，从而肯定了巴基球的“宇宙来客”身份。n推测：2.5亿年前那场惨绝人寰的古生物全球大灭绝是天体撞击事件所造成的悲剧 对对 C60 的研究远远超出了材料范畴的研究远远超出了材料范畴54 1996 年 10 月 9 日，瑞典皇家科学院将 1996 年度的诺贝尔化学奖授予了美国莱斯大学的柯尔教授、英国撒塞克斯大学的克罗托教授和美国莱斯大学的斯莫利教授，以表彰他们在 1985 年度发现了 C60。应该说，C60 的发现是多学科交叉成功的典范之一。55柯尔：我和克罗托、斯莫利当时合作研制一台仪器，我们用这台仪器研究硅和锗的原子团簇。英国人

24、克罗托对碳团簇很感兴趣，他最想弄明白碳链分子是怎样形成的。我们观察到了一个对应着C60团簇的峰，其强度趋向饱和，我们改变了条件，但这个峰相对其他团簇的峰而言，仍是最明显的。 当时我们不知道它究竟对应着一个怎样的团簇，我的学生利用周末改变条件又重复了这个实验。星期一上午，我们看到这个峰强度更高了，对应着60个碳原子有时是58或62，我们在考虑怎样的一种化学反应会产生，形成这60个原子的团簇 56 自从 1958 年进入 Rice 大学工作至今，柯尔再没离开过这里。这和一生经常搬迁的美国人实在不太一样。柯尔说：“Rice 大学给我优厚的工资，我也喜欢这里的学生和老师，他们都是很好的合作伙伴。你肯定

25、也注意到了，这所校园很美丽，所以我不想换另外一个地方工作。” “Rice”的中文意思是“稻米”，其实它只是一个人的名字 学校的捐助者 Rice。这所保守的私立“稻米大学”至今仍是一所很难进入的学校，原因在于它的资金雄厚，给予教授和学生的待遇十分高。单从占地面积就能看出来：只有 3000 人的“稻米大学”和拥有一万多人的休斯顿大学一样大小。 57v发现 C60 前没有梦想过会得诺贝尔奖，即便是在发现 C60 后几年里也都没有梦想过。v如果没有以前科学家制作的样品，看不到他们的论文，我们不可能用这种方法制出 C60。v真正的新发现是和你投入工作的时间成正比的。不像一扇门，能突然打开告诉你里面有什么

26、新事物，它需要长时间的探索。 柯尔语录：关于获奖柯尔语录：关于获奖58 人们首先应该想到，科学家也是人，他有时也会犯错误的。针对科学家提出的种种理论和观点，公众应该先考虑这个科学家是哪一方面、哪一领域的权威，如果他在自己所专长的项目上提出看法，所给的评论也许是所给的评论也许是正确的，但若给其他领域的评论也许就是不正确的正确的，但若给其他领域的评论也许就是不正确的。 至于鲍林教授，我想他还不是那种明明知道错误却偏要坚持自己错误的人。因为鲍林自己也服用大量维生素来预防疾病，他始终相信“正分子疗法”有效，但作为化学家，他并不是医学界的权威。 柯尔语录：柯尔语录：关于鲍林关于鲍林59n柯尔一直坚守在校

27、园里，n斯莫利目前成立了一家公司，每天都在生产着纳米碳管，因为他们的努力，这种以前每克几千美元的昂贵材料，已经便宜了 10 倍多。 n克罗托去向不明？2001 年 5 月克罗托参观了北京四中，做了一场科普性的学术报告。获奖者踪迹获奖者踪迹60 新华社华盛顿 2004 年 3 月 29 日电：美国一项小规模研究得出的初步结果显示，巴基球结构的碳纳米微粒会损害鱼的脑部。这是研究人员首次找到纳米微粒可能给水生物种造成毒副作用的证据，它在美国挑起了新一轮纳米技术利弊之争。据此间报纸 29 日报道，美国南方卫理公会大学研究人员日前在美国化学学会的一个学术会议上介绍说，他们在研究中将 9 条年幼的黑鲈鱼放

28、入容量 10 升的鱼缸内，让其接触水溶性 C60。研究中黑鲈所接触的 C60 浓度为 0.5 ppm。48 小时后对这些鱼脑组织样本的分析发现，它们脑部所受损伤比处于不含C60 的清水中的黑鲈要严重 17 倍。 关于关于 C60 的一则最新消息的一则最新消息 61最后我们顺便来看看碳纳米管最后我们顺便来看看碳纳米管 1991 年，日本电气公司 (NEC) 首席研究员饭岛澄男利用碳电弧放电法合成 C60 分子时，偶然于阴极处发现针状物，经过高分辨率穿透式电子显微镜分析其结构，发现这些针状物为碳原子所构成的中空管状体，直径约为数纳米至数十纳米，长度可达数微米的中空管状物，后来世人称此为纳米碳管 (

29、carbon nano tube)。 62 纳米碳管的发现是一个意外。1985 年发现了以 C60 为代表的富勒烯使得碳结构这一古老的学科顿生活力。C60 可由石墨碳棒电弧放电来合成，原理为将几十伏直流电压加在两根碳棒上，当两根碳棒距离很小时，就会产生电弧放电导致短路，而电弧放电产生的碳灰中含有大量的富勒烯。而当时人们的注意力自然都集中在观察碳灰上，饭岛澄男博士却去仔细观察了放电后在阴极上产生的沉积物 在沉积物中他发现了纳米碳管。这是一个完全意外的发现。重要的是，他没有忽略掉这个发现 。63碳纳米管相当于是由石墨中的碳原子卷曲而成的管状的材料碳原子以 sp2 杂化，但是由于存在一定曲率所以其中

30、也有一小部分碳属 sp3杂化 64n碳纳米管可以形象地看成是类似于极细的铁丝网卷成的一个空心园柱状的长“笼子” 。n含有一层碳原子层的称为单壁碳纳米管(Single walled carbon nanotube, SWNT)，多于一层的则称为多壁碳纳米管 (Multi-walled carbon nanotube, MWNT) n从某种意义上看，碳纳米管是一种很好的、最细的纤维，准一维材料。65n纳米碳管的直径约有一根头发的千分之一粗细，世界上最小纳米碳管的直径只有 0.4 纳米。香港科技大学的研究人员 2001 年成功地制成了世界上最小的单壁纳米碳管。n用传统方法制造出的碳纳米管束长度通常只

31、有几十微米，其应用开发受到局限。由中美科学家组成的一个研究小组利用一种简单的方法，合成出了厘米级 (最长可达 20 cm) 的由单层碳纳米管组成的碳纳米管束。这一成果是向制造可用于电子设备的微型导线等迈出的重要一步。 66 纳米碳管就结构而言，是普通石墨的一个奇异的变种。石墨在微观尺度上是属于层 (片) 状结构，是碳原子以 sp2 键结而成，价廉质脆，平凡无奇，是碳锌电池正电极与铅笔笔芯的材料。而所谓的 “碳纳米管” 的结构相当于把石墨的平面组织卷成管状，此时黑色的丑小鸭马上化做美丽天鹅，石墨管摇身一变成为纳米科技的新宠。据 1996 年诺贝尔化学奖得主 R.E. Smally 所言 “纯种的

32、纳米碳管每公克索价 1000 美金”，价格约为黄金的 10 倍。目前，科学家们正想尽办法要让碳纳米管变成魔术棒，好让碳纳米管可以变换出各种新花样。 67碳纳米管导电性十分有趣，它可具有很好的金属导电性，也可具有半导体性。因此，它既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件，将来可能代替硅芯片，引起计算机技术的革命。碳纳米管的顶端很锐，非常有利于电子的发射。它可用做电子发射源，推动壁挂电视的发展。 碳纳米管的导电性能碳纳米管的导电性能68在普通电压的驱动下，一厘米见方硅片上有序列的上亿个碳纳米管立刻源源不断的发射出电子。在电子的“轰击”下，显示屏上 “CHINA”字样清

33、晰可见不久前，我国一个研究小组首次利用碳纳米管研制出新一代显示器样品。这是科学文摘报关于西安交通大学的一个课题组碳纳米管最新研究进展的报道。69n碳纳米管强度高，韧性好，能承受巨大的压力。理论计算表明，碳纳米管的强度是钢的 100 倍，但是其密度则只有钢的 1/6。n5 万根碳纳米管并排起来只有人的一根头发丝粗，适宜于制造超强电缆。碳纳米管的力学性能碳纳米管的力学性能70莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于 29 KPa 的水压下 (相当于水下 18000 千米深的压力) 做实验。不料，未加到预定压力的 1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢

34、复了原来形状。于是，科学家得到启发，发明了 (可能是试图发明) 用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。 71I have a dream 能否制造一台太空升降机，从地球表面一直升到地球同步卫星上，如同坐电梯到摩天大楼顶层一样？电梯的升降是靠钢缆牵引的，太空升降机则可以用由大量的碳纳米管并排制作而成的缆绳。 这是一个幻想。但是幻想和现实往往就只有一步之遥。72I have a dream 剑桥大学阿兰温德尔 2004 年初宣布成功地用纳米碳管组成的纤维织成“纳米绳”。这种很细的“纳米绳”的刚度和硬度都很大：其刚度是钢材的 10 倍，其硬度是金刚石的 2

35、倍。虽然目前制成的“纳米绳”的长度还不长 (最长为20厘米)，但阿兰温德尔相信，在将他们的方法进一步改善之后就可以织成任意长的“纳米绳”，而且制作成本低廉还不污染环境。他们认为，可以将这种“纳米绳”应用到大跨度桥梁的悬索上，甚至有朝一日，可以用这种“纳米绳”将位于宇宙空间的一个发射平台与地面固定起来，形成一个“人造天梯”。在这个发射平台上发射卫星可以大大降低发射成本。 73 美国宾夕法尼亚大学研究人员 2000 年在科学杂志上发表文章称，他们发现纳米碳管是目前世界上最好的导热材料。纳米碳管依靠超声波传递热能，其传递速度可达到每秒 1 万米。即使将纳米管捆在一起，热量也不会从一个纳米管传到另一纳

36、米管，这说明纳米碳管只能在一维方向传递热能。研究人员称，纳米碳管优异的导电性能将能使它成为今后计算机芯片的导热板，也将可用于发动、火箭等各种高温部件的防护材料。 碳纳米管的热学性能碳纳米管的热学性能74n2004年，清华大学和美国路易斯安那州立大学联合发明出一种用纳米碳管取代钨丝作为灯丝的新型灯泡。这种灯泡在节省用电和增强亮度方面都远远超过了传统灯泡，有望在三到五年内进入市场。n使用酒精溶液将纳米碳管束浸透，而后将其组合成灯丝的形状，最终用它取代钨丝作为一个普通40瓦灯泡中的灯丝。纳米碳管灯丝在较低电压下就可以发光，同时也可以在较高电压下工作很长时间。n权威人士指出，自从 19 世纪末爱迪生发

37、明灯泡以来，灯泡设计一直没有什么太大变化。纳米碳管灯泡的出现将会在这一领域带来一场革命。 碳纳米管的光学性能碳纳米管的光学性能75n通过对 SWNT 的吸氢过程研究发现，氢可能以固体形式填充到 SWNT 的管体内部以及 SWNT 束之间的孔隙，因此 SWNT 具有极佳的储氢能力。n推测SWNT 的储氢量可达 10 (重量比), 因此可以用作储氢材料。为了使氢能够使用，美国能源部 (DOE) 氢计划中制订可商业使用可以重复使用氢吸附标准 6.5% (存储的氢的重量占整个系统的百分比) 或者体积密度为 63 kg H2/m3。n氢分子吸附在纯 SWNT、MWNT 和碱金属掺杂 SWNT，极大地刺激

38、了对纳米碳材料储氢性能的理论和实验研究。储氢碳纳米管储氢碳纳米管76nPeter J.F. Harris, Carbon Nanotubes and Related Structures: New Materials for the Twenty-First Century. Cambridge University Press (1999). 一本关于纳米碳管的较新的专著nB. I. Yakobson and R. E. Smalley, Fullerene Nanotubes: C1,000,000 and Beyond. Am. Sci. 85 (1997) 324. 一篇关于纳米碳管的

39、有趣的略带科普性质的文章nT.W. Ebbesen, Carbon Nanotubes, preparation and properties. CRC Press (1997). 比较好的一本入门著作推荐读物推荐读物77n因特网上部分研究小组的联接以及简单评论 n以特别简洁的文字对纳米碳管进行了大致的介绍 n R.E. Smalley 研究小组的主页n关于纳米碳管实验和理论模拟结果的图片库 几个有趣的网址几个有趣的网址78 新加坡数据储存研究院不久前在世界上首次合成了纳米碳墙，并已获得这项技术的专利。据联合早报2001 年 12 月 24 日报道，纳米碳墙是该院研究人员在实验室偶然合成的，它在电子显微镜下犹如一道由几个原子排列而成的墙壁，厚度只有1 2 nm，高约 2 m。碳墙允许电子在一个平面上作二维运动。此前，科学家已发现了纳米碳球、纳米碳管等形态。由 60 个碳原子组成的笼状纳米碳球，把电子包围在中间，限制了电子的运动，称为零维系统；纳米碳管允许电子通过其内部管道作直线运动，称为一维系统；而普通材料中电子可以作三维运动。纳米碳墙的发现可以说是完成了零维、一维、二维和三维的电子运动研究进程。 一则过时的消息一则过时的消息 79要求掌握的一些基本内容要求掌握的一些基本内容价键理论中涉及的一些基本概念纤锌矿结构的基本特征金刚石、石墨及 C60 、碳纳米管结构的基本特征80