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    我科学家对C60的化学与物理研究获得多项具有国际水平的研究成果

    日期 2002-09-28   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:C60的奇特结构和独特的物理化学性质给人类科学带来了许多研究契机,也为化学和物理等学科的理论和实验研究提供了一个广阔和有待深入探索的新领域。朱道本院士等在C60的化学和物理研究领域已进行了十年的研究工作,在各类科学基金项目的持续资助下,与中科院物理所研究人员紧密合作,获得了多项具有国际水平的研究成果。C60及由C60衍生而来的一类新材料在许多高新科技领域的应用价值可能是关键性的和无法替代的。   C60的奇特结构和独特的物理化学性质给人类科学带来了许多研究契机,也为化学和物理等学科的理论和实验研究提供了一个广阔和有待深入探索的新领域。C60的化学和物理研究始于九十年代初,是十年来国际上最关注的交叉研究领域,其核心问题集中于两点:人们如何设计制备具有特殊性能的以C60为基质的材料,以及这些性能又如何得以应用。围绕这两个基本科学问题,朱道本院士及其领导的研究组提出在研究中应注重学科间的交叉、创新,并依据C60分子高度对称、三维共轭以及活泼的化学反应性及很强的电子亲和力和还原性等特点,提出了电荷转移、分子间的相互作用与性能的关系和这些材料的设计思想必须依据于结构与能量这两个主要因素。   朱道本院士等在C60的化学和物理研究领域已进行了十年的研究工作,在各类科学基金项目的持续资助下,与中科院物理所研究人员紧密合作,获得了多项具有国际领先水平的研究成果,已发表SCI研究论文120余篇,在《有机化学》(J. Org. Chem)、《应用物理快报》(Appl. Phys. Lett.)、《物理化学》(J. Phys. Chem)、《化学通讯》(Chem. Commun.)、《光学快报》(Opt. Lett.)、《四面体快报》(Tetrahedron Lett.)、《有机化学快报》(Org. Lett.) 等国际高水平杂志上发表论文25篇;已发表SCI研究论文中有80余篇文章被他人引用400余次;国际学术会议邀请报告9次,获中国科学院自然科学二等奖一次;并在研究中提出了一些新概念、新方法。这些学术观点和研究成果获得了国际同行的认同并多次被世界著名学者在综述文章中引用,形成了自己的研究特色,在国际上产生了影响。 主要研究成果如下:   一、利用四波混频技术研究了C60和C70在甲苯溶液中的三阶非线性光学性质,首先发现并报导了两种成份的输出信号,一种成份衰减曲线的延迟时间小于30皮秒而另一种成份衰减时间较长。这个结果得到国际上多个实验室的重复,并被认为是早期研究C60、C70甲苯溶液三阶非线性光学性质的成功例证。   二、对C60及其同系物的LB膜(在固体载体上的由单分子膜组成的单层或者多层膜)进行了开创性的研究,利用STM(扫描电子显微镜)、TEM(透射电子显微镜)在C60 LB膜发现局部有序结构区域的存在,计算LB膜中C60分子的直径,统计平均结果发现两个垂直方向上的C60分子直径并不完全相等,这一结果被国际上多名科学家重复确证。   三、研究了C60的晶体结构,并提出C60晶体有fcc(面心立方)结构成份,其晶胞参数a=1.42nm,利用高分辨电子显微镜和电子衍射技术观察到处于{111}晶面上频繁出现的孪晶。这个研究成果明确了C60晶体存在两种结构fcc和hcp,而且更稳定的结构应是fcc,完善了C60的晶体结构研究。   四、研究了C60和C70的拉曼光谱及表面增强拉曼散射及C60光致发光光谱。完整地明确地区分和指认了C60与C70分子振动模式,C60的拉曼光谱有10个特征峰,它们分别处在272,432,492,710,770,1100,1426,1468,1572和1692cm-1,而C70有更多的特征峰。其中C60的特征峰中的1100,1572和1692是首次观察并报道的,这一研究成为早期C60光谱研究的经典作品之一。同时在研究用表面增强拉曼散射研究C60、C70分子在银表面的吸附中提出了C60、C70分子在银表面属物理吸附以及C70分子吸附具有单层饱和效应这一新概念。对C60光致发光光谱的研究提出了C60光致发光光谱的位置是在7479?。   五、依据分子设计,合成了一系列有机给体分子,系统研究了它们的给电子和电子转移行为等物理化学性质。采用多种技术获得了高质量的C60电荷转移复合物单晶,并成功地利用四圆衍射得到了C1TET-TTF与C60形成的电荷转移复合物的晶体结构。   六、系统研究了C60电荷转移复合物的磁性质。提出了在骨架上引入拉电子基团的C60与有机给体分子更容易形成电荷转移复合物,而且这类电荷转移复合物分子间有更强的相互作用。依据这个基本理论制备了TTFxC60Bry电荷转移复合物,研究了其磁性质,发现它在室温下存在着铁磁相互作用;开展了有机稳定氮氧自由基的磁性质研究,成功地将受阻胺引入C60骨架,通过氧化首次获得以C60为基质的稳定氮氧自由基,利用SQUID(超导磁强测试仪)研究磁性质发现这类氮氧自由基低温下存在铁磁相互作用;以这些稳定氮氧自由基为基础设计制备双亲双疏结构体系,形成了新的纳米结构聚集体。此种纳米团簇表现出反铁磁性质,其转变温度在130K左右。   七、C60的化学反应研究是获得C60衍生物新材料来源的重要手段。提出了一种新碳卡宾的形成及与C60加成的机理,对C60的亲核加成反应进行了深入研究,提出了一些与该反应相关的新问题。   八、利用C60-高聚物二元体系分别构建了LED(发光二极管)及光伏打电池器件,并提出了合适的掺杂量可较大改善基于C60-高聚物二元体系的LED的发光亮度和效率。   C60自从能被宏观量的制备后,由于其特殊的结构及物理化学性质,科学家们立即意识到这类新物质的巨大应用潜力。富勒烯材料※的许多不寻常特性几乎都可以在现代科技和工业部门找到实际应用价值。例如C60及其衍生物构建的高聚物太阳能电池已经展现了巨大应用潜力;水溶性富勒烯金属包合物用于医学成像及治疗方面展示了十分优越的性质和性能;C60掺杂PVK聚合物形成的一类全新的高性能光导体已引起工业界广泛重视。富勒烯被高度关注的应用是多方面的,包括分子电子器件、半导体、高能燃料、电池、催化剂、非线性光学器件、传感器等,这些富勒烯材料在许多高新科技领域的应用价值可能是关键性的和无法替代的。   ※ 富勒烯:很久以来,人们一直认为碳元素只有两种同素异形体:一种是柔软的石墨,另一种是坚硬的金刚石。但1985年之后,这种认识发生了变化。1985年, 为了研究红巨星的大气中碳元素的成核反应,美国科学家Curl和Smalley以及英国科学家Kroto利用脉冲激光蒸发石墨,并利用时间飞行质谱仪对反应进行监测。他们发现,在某种特定的条件下,720 (C60)的质谱峰和840(C70)的质谱峰有很大的强度。他们很快得出结论,这种稳定的C60具有球形结构,并用圆顶建筑的发明人Buckminster Fuller的名字命名此类化合物为富勒烯(Fullerene)。1990年,Kr?tschmer和Huffman一同发明了大量制备富勒烯的方法。从此,以C60为主要代表的富勒烯的研究在全世界范围蓬勃开展。



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