碳纳米泡沫

近几十年来，人们对新奇的碳结构的研究有着很大兴趣，比如巴基球结构和纳米管结构。1997年，澳大利亚的研究者又发现了另外一种碳的形态：蛛网状、与分形相似的合成物，他们称之为纳米泡沫。在今年三月美国物理学会的会议上，该研究组报告说这种轻薄的物质是铁磁性的（像铁一样），是唯一有这种属性的纯碳物质。这种泡沫的磁性行为使得具有革新意义的应用成为可能，比如在磁共振成像中作为对比增强剂。

堪培拉澳大利亚国立大学的Andrei V. Rode和他的合作者在充满惰性氩气的容器里放入玻璃状形态的碳，随着一系列短的激光脉冲，碳发生爆炸，从而制造出了碳纳米泡沫。脉冲产生出一团碳蒸气，形成一层薄膜驻留在容器壁上。在肉眼看来，它就像惯常见到的烟灰沉积。

泡沫由团簇构成，大概包含4000个原子，其中很多团簇连在一起形成纤细的网。这些团簇每个直径大约6纳米，似乎形成了石墨层，包含在七边形内。与巴基球的情形正好相反，这种构型令石墨层有了负曲率，也就是双曲鞍形。在巴基球中，五边形取代了一些六边形，从而形成了一个足球的形状。

如此多的空洞弥散在整个网中，使得这种纳米泡沫的密度仅有海平面上空气密度的几分之一，可与已知密度最低的固体，名为硅气凝胶的多孔材料相提并论。这种泡沫和碳气凝胶很相象，但只是它们密度的百分之一。从一开始，泡沫不同寻常的性质就很明显。它紧紧地束缚着电荷并通过静电力附着在产生腔里，以至于剥离下来都十分困难。这种特性意味着这种泡沫并不像碳气凝胶那样，它是电的不良导体。

研究者们还发现纳米泡沫里有很多未成对电子，这就要求碳原子间的连接少于四个键。Rode和他的同事们指出，这些未配对的电子来源于“拓扑缺陷(topological)和键缺陷(bonding defects)”，这种缺陷和鞍状曲面有关。这种旋绕面阻止了未成对电子间的相互作用从而使它们稳定。

未成对电子的出现表明这种泡沫也应该有磁性。一个简单的测试证明了这个猜，Rode说：“新生成的泡沫样品会被永磁体吸引。”他们组联合希腊赫拉克利的Hellas研究与技术基金会、克利特大学，以及俄罗斯圣彼得堡的约飞物理技术研究所的研究者们，研究了纳米泡沫的磁性。这种泡沫不但能被磁体吸引，而且低于—183℃时，还具有永久磁性，就像一块铁一样。换句话说，它是铁磁性的，一种其他任何结构的碳（同素异构体）都不具有的特性。

Rode说：“为了证实这个结果以及排除泡沫中存在杂质的可能性，我们花费了大量时间来研究这种泡沫的磁性。”所用的不锈钢容器中类似铁或镍的污染，可能会使得到的磁性结果真伪难辨。

该研究组当前集中于如何通过调整泡沫产生的条件来寻找控制泡沫性质的方法。Rode解释说：“我们研究中的主要挑战是了解激光束强度和重复率，以及气压是如何影响泡沫性质的。” 也许有朝一日，有着适当特性的纳米泡沫会用来改善磁共振成像：将它们的颗粒注射到血流中，可以使血流非常清晰地呈现在扫描仪上。它们也可能会在利用电子自旋或电子磁性的自旋器件中得到应用。