Abstract
石墨中碳原子以sp2軌域和鄰近的碳原子鍵結,鑽石中的碳原子則是以 sp3軌域和相鄰的碳原子鍵結,前者為一平面,平面與平面之間再以微弱的凡得瓦爾力結合在一起,後者則為堅硬的立體結構,1985年後,新型態的碳元素被發現,包括碳六十、細微碳管等,這些物質的鍵結狀態,被認為是以sp2軌域所構成的六環結構、五環結構、七環結構組合而成.在我們所得細微碳管的TEM圖像中,發現一個雜亂的"碳節"裡層與層之間有了鍵結的現象,我們很自然的想到,參與層與層之間鍵結的原子應該以sp3軌域和周圍的原子鍵結,因為碳原子以這種方式鍵結時,四個碳鍵不共平面,恰能解決這個問題.我們利用電腦軟體InsightII(Discover)模擬所建立了混合sp2和 sp3軌域的分子模型,模型中每個碳原子的鍵結都是飽和的.我們也將其中一個模型,和一個完全用sp2軌域所建立的模型做能量上的比較,前者每莫耳原子的平均能量為13.957仟卡,後者為14.804仟卡.如此可見,當細微碳管發生了這種層與層的鍵結時,穩定度相當的高.當量度以sp3軌域鍵結的碳原子中四個碳鍵的夾角, 發現和sp3的自然鍵角109.28度相當接近,也就是說此種鍵結方式是極自然的.我們可以說,新型態的碳籠元素在幾何上因為處處有彎曲的弧面存在,所以很容易產生這種特殊的鍵結方式,我們可以說,碳籠在幾何上結合了石墨的平面和鑽石的立體結構,所以在鍵結方式上也容易結合兩者.