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线型碳-Carbyne
(LINEAR CARBON-CARBYNE)

  线型碳是元素碳的一种新的同素异形体,以sp杂化成键为特征,呈线型结构。研究表明,线型碳在高温低密度的液体碳中存在。1968年,在前西德的Ries火山口的石墨片麻岩中发现微量的线型碳。后来,又在陨石和宇宙粉尘中发现这种线型碳分子。前苏联学者将之命名为"Carbyne"。最初国内介绍这种物质时译名为"卡宾"。但是,这个译名有不妥之处:在金属有机化合物中,有卡宾配合物(Carbene complexes)和卡拜配合物(Carbyne complexes),前者可称为碳烯基配合物,后者为碳炔基配合物,"卡宾"这个名词在化学上会引起概念上的混淆。在美国化学文摘中,以"Carbyne,polymers"表线型碳,以示区别。在有关文献中,不少用线型碳"Linear carbon"的名称,我认为比较恰当。

合成
 

已报道的线型碳合成方法较多,较成功的合成法有如下几种:(1)由含碳小分子的缩聚反应制备线型碳。常用的小分子物质如;乙炔、碘乙炔、乙炔铜(Cu2C2)以及次氧化碳(O=C=C=C=O)。最初,以乙炔的催化氧化脱氢法,所得无定形线型碳的碳含量仅60%左右,但反应条件温和、产量高而受到重视。近年发展为用乙炔铜的二步法,碳可提高到99%以上,是目前最有前景的合成法。但产物仍然是无定形态。(2)由高分子类似物转化为线型碳。如用聚卤乙烯脱卤化氢、聚乙炔脱氢等。这种方法在20世纪70年代~80年代研究得多。如用极薄的聚卤乙烯薄膜,可得到金属光泽的线型碳。但在空气中很快丧失光泽,变为链间交联的其他物质;如用粉末聚卤乙烯为原料,产物又成黑色的无定形态。(3)热裂解法。该法将有机化合物或有机高分子热裂解制线型碳。用有机小分子时,类似于化学气相沉积(CVD)法,将产物沉积到基片上,得到线型碳的薄膜;如用有机高分子,则类似炭纤维的制备。这种方法报道很少,只是能在产物中检测出线型碳而已,很难对其发表评论。(4)石墨转化法。在2600K以上,石墨的双键会转化为三键,从而转化为线型碳。在火山爆发时产生的熔融石墨片麻岩中发现的线型碳,就是由石墨转化而成。人工合成如俄国化学家使用的离子溅射石墨靶与氩离子轰击生长相结合的方法,可得到与单晶晶面正交的单晶线型碳薄膜。该法条件苛刻,产量极微,尚不能成为实用的合成法。

 
结构及性质
 

线型碳有两种异构体:α-型,为三键和单键交替的共轭三键型(-C≡C-)n;β型,为累积双键型(=C=C=)n。后者不稳定,加热时转化为α-型。单晶线型碳薄膜的电子衍射研究表明其结构为六方晶格。由于未合成出足量的结晶线型碳供结构测定,其机构尚无详细的资料。这是学术界对线型碳尚有争议的原因之一。合成的无定形线型碳呈惰性,难溶于任何已知的溶剂,在常温下不与一般化学试剂作用。热力学研究表明,与其它碳的同素异形体比较,稳定性顺序为:线型碳(α型)>石墨>金刚石>富勒烯C60

有关线型碳的应用研究不多。从理论上预言,它应是一种常温超导材料,和优于碳纤维的超强纤维材料。这方面的研究有待合成上的新进展。由于它对生物体的高亲和性,用于生物医学材料的研究有报道。如俄罗斯科学家用线型碳作外科手术的缝合线及动物硬组织材料,比有机高分子材料好得多。此外,有报导用线型碳作隐型眼镜外框,可以克服其它材料引起的细菌感染和不舒适感。由线型碳可制备金刚石:由α-型为起始物,须高温高压条件,与石墨转化法差不多;以β-线型碳转化,其条件温和,在几百度的常压下,可转化为粉末金刚石。近来笔者的研究证明了其可行性,有可能成为一种实用的合成金刚石的新方法。

 
王世华 供稿

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