Only Perception: 巴克球的誕生

2007-11-22

巴克球的誕生

Buckyball birth observed by Sandia nanotech researcher
http://www.physorg.com/news114879032.html

November 21, 2007

幾乎科學社群當中的每一人都耳聞過巴克球（buckyball）不過在 Sandia 的 Jianyu Huang 之前，沒有人看過它如何誕生。

Buckyballs -- 更加正式的稱呼是 buckminsterfullerene C-60 -- 一種由碳連接而成的奈米結構，因為它與測地線拱頂（geodesic dome）這樣的圓頂巨型結構的相似而得名，而喜愛該結構強度的愛好者是環保專家 Buckminster Fuller。

除了其碳-碳鍵結所產生的強度之外 -- "這是自然界中最強的化學鍵，" Huang 說，他看起來似乎對此奈米材料的特性仍感敬畏 -- 這種結構形成一種相對來說較不透水籠子，可想而知能安全地運輸氫分子以做為燃料，或傳送微劑量藥物直達人體內的目標。

在它們廣泛被使用成為可能之前，buckyballs 必須要能大量取得。為了辦到這件事，對於它們的形成有更好的了解是關鍵。

"我們現在是第一個，在現場（in situ），直接以實驗證明這個假說 -- 對於科學社群相當具有意義 -- 即這些結構是由碳薄片經熱「收縮（shrink-wrapping）」而形成，" Huang 說。

就是這樣，加熱將只有單層碳原子的薄片彎曲成奈米碗狀物，然後增添更多碳原子到碗的邊緣，直到形成巨大的的富勒烯（fullerene） -- C60 分子較大、較不穩定的版本。

持續加熱這些富勒烯 --「收縮」是較受喜愛的術語 -- 直到它變成較穩定的 C60 分子，也就是巴克球：碳原子在該形狀下最小的穩定排列。

再更進一步加熱，buckyball 會消失，這提供更多證據證明 buckyball 階段已經達到。

Buckyball 的共同發現者（1985）及諾貝爾桂冠（1996）Richard Smalley，提出假說表示 buckyballs 是以種方式形成的，不過他在 2005 年過世時，尚未有實驗確認，或其他方法被提出。

一篇詳述這項研究的論文，發表在 10/26 Physical Review Letters 上。

Huang 的發現是個意料之外。他事實上是在奈米碳管的耐久性中尋找瑕疵。透過 STM（掃描穿隧顯微鏡）原子大小的尖端傳送電流 -- 而 STM 本身則在一具 TEM（穿透式電子顯微鏡）當中 -- 他將一個直徑 10 奈米的、多重障壁的（multiwalled）奈米碳管加熱至攝氏 2000 度，那時他看見巨大富勒烯的外部殼層從（如削蘋果般蜷曲的）奈米碳管內部的「果皮」中形成。此過程高解析度的 2D 影像由一部附加在顯微鏡上的 CCD 相機所拍攝，顯示富勒烯的直徑縮小，與時間呈線性比例，直到結構變成 C60 的大小，碳原子在形成足球形時，最小的排列方式。

然後 buckyballs 消失了。

模擬在 Huang 要求下，由 Boris Yakobson 在 Rice 大學的團隊創造，他是這篇 Physical Review 論文的共同作者，證實加熱能透過減少碳二聚物（carbon dimers，一對碳）縮小富勒烯，直到它們達到最基本的 buckeyball 形狀。更進一步移除「碳對」後，這個結構會崩毀。

Buckyballs 由六角形的與五角形的碳原子安排所形成，那縫合（stitched）或焊接（welded）在一起，就外型上來說，很像一顆足球。然而，它們的曲率（curvature），是單單由五角形所形成，在 buckyball 中有 12 個。離去的原子留下同樣數量的五角形，直到富勒烯收縮到其最小的穩定形狀，低於此，buckyball 崩潰。

"我慣於研究金屬，" Huang 說，他自遙遠的中國農村長大，現在則在 Sandia 的整合奈米科技中心（CINT）使用最複雜的儀器。"不過碳奈米材料現在我覺得更有趣。"

CINT 是 Sandia 與 Los Alamos 國家實驗室的聯合單位，由美國能源步的科學辦公室支持。

Buckyball 的這項發現，最初是由 Huang 在 Boston 學院相似的設備中完成，然後在 CINT 詮釋。

"TEM 內部的 STM 探針在奈米科技中是相當強力的工具，" Huang 說。"STM 探針如同上帝的手指：它可抓取極端為小的物件，可小至單一一條原子鏈，讓我能做奈米機、奈米材料甚至是奈米碳管與奈米導線的熱研究。"

影片：Fullerene Sublimation（富勒烯昇華） --
http://www.sandia.gov/videos2007/2007-6514P-FullereneSublimation.mpg

※ 相關報導：

＊ Real Time Microscopy, Kinetics, and Mechanism of Giant Fullerene Evaporation
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e175503