层状足球烯

自从20世纪80年代中期发现足球烯(fullerene)以来,这种物质就引起了轰动。该细小的中空球体由60个碳原子以五角形和六角形形状构成,如一微型英式足球,有着不寻常的物理特性。同时,科学家已经研发了各种包含足球烯的材料。现在,俄罗斯和日本的研究人员已经制成了一种新的足球烯变体:一种由二维足球烯层制成的物质,该物质的性质与金属类似。就如研究人员在新研究中报道的那样,该种化合物可开创新型超导材料之先河。

所有先前的具有金属性质的足球烯烯晶体均为一维或三维结构并且包含了金属元素。来自于琴诺格洛夫加(Chernogolovka)、京都和名古屋的Dmitri V. Konarev、Gunzi Saito以及其同事致力于制造一种由二维足球烯层构成的含“盐”的金属导电足球烯。此外,他们也期望制成的富勒烯不含金属离子,只含碳元素、氢元素和氮元素。

要完成该工作,需要三种不同的成分:1)足球烯烯阴离子,带负电荷的微型球状物质;2)带正电的有机抗衡离子(阳离子);以及3)中性有机大分子。成分2的阳离子用于保持电荷在物质中的正确分布。中性成分3确保了单个基本成分在晶体结构中正确的空间排列。

问题是晶体中的足球烯阴离子有成对的趋势。为确保物质呈金属的性质,需要在足球烯层中压实其阴离子。只有当中性成分的几何结构和尺寸确切无误时,才能起作用。该研究组选择使用三蝶烯(triptycene)作为中性成分;三蝶烯为芳香环状物质,其形状会令人想起三叶螺旋桨。他们使用的有机阳离子则呈笼状结构。

该工作的产物是一种晶体,该晶体内足球烯层与由其它两种成分构成的层交替相间。该足球烯层为蜂窝状结构,其中每个细小的带负电的“球状物”有六个相邻元素。足球烯层具有像金属一样的很高的导电性,即使在接近绝对零度(1.9k)时导电性也很高,这是极为罕见的。

通过改变单个成分,应当可以生产其它的此类物质。本研究期望生成带异性电子特性的物质,比如新超导体或者自旋液体,该类物质在绝对零度时呈现不同寻常的磁性。

D. V. Konarev et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2010; DOI: 10.1002/anie.201001463.