C60

C60－碳六十(Buckminsterfullerene) 國家高速網路與計算中心    張自恭博士    2003/07/1

C60是由60個碳原子所組成，其結構如圖一所示，是由20個六角形和12個五角形所圍成，外形像一顆英式足球，是目前已知對稱性最高的球狀分子，也是除了石墨(graphite)及金剛石(diamond)(如圖二)以外，第三個被發現的碳同素異形體(allotropic form) 。         從幾何結構來看， C60是一個截角正二十面體 ，亦即將正二十面體的每個凸角切掉大小適當的一塊(如圖二所示 ) [2] ，這樣的結構共有32個面、60個頂點以及90條邊。 圖一：由20個六角形及12個五角形所組成的C60模型 (取自Ref.[1])

C60分子的直徑為7.1埃(1埃 = 10-10米)，密度為1.68克/毫升，在室溫下呈紫紅色固態分子晶體。它與鑽石一樣不具導電性，但在18K時具有超導性；研究顯示，它是以晶格裡的電洞來傳導電流(類似p型半導體)，若加入其它分子(例如三溴甲烷)來拉長晶格間距，還可以有效地提昇其超導相變溫度至117K[4]。 圖二：正二十面體與截角正二十面體的外形與數學關係(取自Ref.[3])

由化學性質來看，C60具有近似石墨的sp2混成軌域，每個碳原子僅與相鄰的三個碳原子鍵結，具有三個δ鍵和一個π鍵。其碳－碳鍵有兩種長度，分別為1.38埃和1.45埃；兩個相鄰六角形所共用的碳－碳鍵較短，接近雙鍵(C=C)的性質(由一個δ鍵及一個π鍵所組成)，而六角環和五角環共用的鍵較長，接近單鍵(C=C)的性質[5] 。C60的化學性質相當穩定，即使在時速高達二萬四千公里的速度下撞擊鋼板也不會破裂，若在氮氣中加熱其晶體至550℃則會昇華。         美國夏威夷大學的科學家早已發現四十六億年前的隕石內存在著C60、C70以及C100至C300等純碳分子，並認為它們是宇宙早期即已存在的物質；然而，在地球上發現C60卻是天文物理研究「正打歪著」的意外收穫[6]。

1985年，英國化學家柯洛托(Sir Harold W. Kroto)為了探索在可見光與紫外光之間，是否存在屬於微小石墨碳粒的星際塵埃光譜，在柯爾(Robert F. Curl)與史莫利(Richard E. Smalley)的協助下，以聚焦雷射蒸發石墨，再與鈍氣混合由噴嘴噴出冷卻，並以質譜儀記錄產物，測出含有偶數個碳原子的碳簇(carbon cluster)。 圖三：1967年加拿大蒙特婁世界博覽會上的美國館，建築物高60公尺。取自Ref.[7]

同年，柯洛托在加拿大見到蒙特婁世界博覽會中由巴克明斯特‧富勒(R. Buckminster Fuller)所設計的圓頂建築物(圖三)，受到啟發而推演出類似足球般空心籠狀結構的C60[6]，並將它命名為Buckminsterfullerene，簡稱巴克球(Bucky ball)。這些成就使柯洛托、柯爾及史莫利三人於1996年共同榮膺諾貝爾化學獎。

圖四：C60、C70、C80與各種不同手性(chirality)的碳奈米管之間的關係。取自 Ref.[8]

此後，類似C60的純碳分子相繼被發現，由於碳簇分子具有烯類(C=C)的性質，所以稱碳原子數目在70以下的為富勒烯(Fullerenes)，70-100的為大富勒烯(High Fullerenes)，而超過100的為巨富勒烯(Giant Fullerenes)。C70呈卵形，含有25個六角環與12個五角環，而C80的結構則可視為C70的橫向伸展(參見圖四)。在數學上，必須有12個五角環才能組成一個封閉的結構，因此最小的純碳結構為C20。

另一種值得一提的碳簇成員為碳奈米管(Carbon nanotubes)，其結構為捲成管狀的石墨外加兩顆做為封蓋的半球狀碳簇(如圖四)[9]。碳奈米管是1991年由日本NEC公司的飯島澄男(S. Ijinma)於研究碳簇時偶然發現[10]，是目前自然界中已知最細的管子，它具有高導熱性、高強度、柔軟度高及化性穩定等特點，依其導電性可分為金屬、半導體及絕緣體型三種碳奈米管[9-11]。目前已知的碳簇家族除了上述的碳球及碳管外，還有碳奈米錐(nanocone)、碳奈米角(nanohorn)、樹狀碳微米結構(microtree)以及碳奈米滴管(carbon nanopipet)等[12]。

C60是否存在於紅巨星四周的星塵中仍不確定，但人類因探索宇宙而意外新發現的知識，確實已為人類帶來無限好處。自從1991年霍夫曼(Huffman)及克瑞茲莫(W. Kratschmer)發現石墨電弧製備法可以產生足量的碳簇供實驗使用，碳簇的研究便如火如荼地展開，包括物理、化學、材料科學、生命科學、資訊科學等領域，均有很多專家學者積極投入相關研究[13]。至今，碳簇的製備、機械性質、光電性質、導熱性與傳輸行為、化學反應及其衍生物、碳簇化合物的超導及鐵磁性等，都是非常熱門的應用領域。

參考資料： 關於碳簇的最新發展，請上【奈米科學網】研發新知蒐尋關鍵字。 [1]. http://cyc.hkcampus.net/~cyc-lcc/science/maths/c60.htm [2]. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press (1995). [3]. http://www.mpi-stuttgart.mpg.de/andersen/fullerene/intro.html [4]. J. H. Schon, Ch. Kloc, and B. Batlogg, Science 293, p.2432 (2001). [5]. http://wunmr.wustl.edu/EduDev/Fullerene/fullerene.html [6]. H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O`Brien, R. F. Curl, and R. E. Smalley, Nature 318, p.162 (1985). [7]. http://www.cysh.cy.edu.tw/subject/chem/C60的發現與其邊、面數目之計算.htm [8].http://atom.physics.metu.edu.tw/nano/ [9]. R. Saito, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press(1998). [10]. S. Iijima, Nature 354, P.56 (1991). [11]. http://www.ee.ndhu.edu.tw/test/publications/ publications4/pub3.htm [12]. http://www.nanotechweb.org/articles/news/ [13]. http://www.c-science.com/txt/tc/sc/es/990727scesx.htm