“內(nèi)嵌富勒烯”材料為什么這么貴？

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員、科技部納米重大科學(xué)研究計(jì)劃首席科學(xué)家王春儒告訴科技日?qǐng)?bào)記者，內(nèi)嵌有氮原子的內(nèi)嵌富勒烯生產(chǎn)難、分離難、保存難，所以才特別昂貴。這種分子生產(chǎn)難度非常大，一般是在室溫下用氮離子轟擊C60的方法制得的，大多數(shù)氮離子或者擊不破C60碳籠，或者把碳籠打碎，只有極少數(shù)能量合適，轟擊角度正好的氮原子才能夠擊破碳籠，剛好耗盡氮離子能量，而后碳籠又自己修復(fù)好，才能得到氮內(nèi)嵌富勒烯；而把這生產(chǎn)出來(lái)的不到萬(wàn)分之一的氮內(nèi)嵌富勒烯從其他C60中分離出來(lái)并純化，也是一個(gè)極其艱巨的任務(wù)。后，內(nèi)嵌有氮原子的富勒烯不太穩(wěn)定，保存起來(lái)也非常困難。

富勒烯概述

早發(fā)現(xiàn)的富勒烯是由60個(gè)碳原子以20個(gè)六元環(huán)與12個(gè)五元環(huán)連接而成，具有30個(gè)雙鍵（C=C）的足球狀空心對(duì)稱分子，所以，富勒烯也稱為“足球烯”。 

由于富勒烯的對(duì)稱結(jié)構(gòu)、在納米尺度范圍內(nèi)特殊的穩(wěn)定性，以及奇異的電子結(jié)構(gòu)，因此富勒烯在許多高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，其在納米界享有“納米王子”的美譽(yù)，是未來(lái)二十年具影響力的新材料之一。

富勒烯是在石墨、鉆石之后被發(fā)現(xiàn)的單質(zhì)碳的第三種同素異形體?！耙粋€(gè)單個(gè)的氮原子非常容易活潑，如果沒(méi)有富勒烯C60這個(gè)碳籠對(duì)他進(jìn)行保護(hù)，瞬間就會(huì)與其他物質(zhì)反應(yīng)，所以是一個(gè)極其不穩(wěn)定的自由基。”王春儒說(shuō)，“將氮原子放進(jìn)富勒烯碳籠里面之后，如果沒(méi)有外界的打擾，它就會(huì)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定；而如果一旦受到光、熱等因素的影響，它就會(huì)從籠子里跑掉,所以保存氮內(nèi)嵌富勒烯必須避光和低溫。”

富勒烯家族不僅C₆₀一個(gè)成員，還有C₂₈、C₃₂、C₇₀、C₇₈、C₈₂、C₈₄、C₉₀、C₉₆等，其中C₆₀和C₇₀是常見(jiàn)。

富勒烯性質(zhì)

富勒烯結(jié)構(gòu)中為特殊的性質(zhì)是其碳籠內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，因此可以在其內(nèi)部空腔內(nèi)嵌某些特殊物種(原子、離子或原子簇)，由此而形成的富勒烯被稱為內(nèi)嵌富勒烯，即是將一些原子嵌入富勒烯碳籠而形成的一類新型內(nèi)嵌富勒烯，如氫、釓、鈧、氮等，大部分是在電弧法制造富勒烯的過(guò)程中形成的，也可以通過(guò)化學(xué)方法將富勒烯打開(kāi)孔后裝入一些原子或分子。

富勒烯制備

由于其制備條件的苛刻、制備工藝的復(fù)雜以及很低的收率，因此內(nèi)嵌富勒烯是一類極為稀有的新型材料，但其獨(dú)特的性質(zhì)卻可以使其在一些應(yīng)用領(lǐng)域獲得出色的表現(xiàn)。牛津大學(xué)碳材料設(shè)計(jì)公司的N@C₆₀就屬于內(nèi)嵌富勒烯。

金屬富勒烯是將金屬原子嵌入富勒烯碳籠而形成的一類內(nèi)嵌富勒烯，同一碳籠內(nèi)可以嵌入各種形態(tài)的金屬原子，如單金屬原子、同核或異核雙金屬團(tuán)等。由于金屬富勒烯同時(shí)具有金屬和富勒烯的特性，使得它們?cè)陔娮?、能源、生物醫(yī)學(xué)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

富勒烯的應(yīng)用

富勒烯由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，作為一類新興碳納米功能材料，在許多應(yīng)用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景，如：

◆ 生物制藥：診斷試劑、治療藥物、化妝品、核磁共振用顯影液。

◆ 能源領(lǐng)域：太陽(yáng)能電池、燃料電池、二次電池。

◆ 工業(yè)領(lǐng)域：耐磨材料、阻燃材料、潤(rùn)滑劑、聚合物添加劑、高性能薄膜、催化劑、人工鉆石、超硬合金、電子粘性流體、印油、高性能涂料、防火涂料等。

◆ 信息產(chǎn)業(yè)：半導(dǎo)體紀(jì)錄媒介、磁性材料、印刷、特殊用途紙張。

◆ 電子部件：超導(dǎo)材料、二極管、晶體管、誘導(dǎo)體。

◆ 光學(xué)材料：電子照相、熒光顯示管、非線性光學(xué)材料。

◆ 環(huán)境領(lǐng)域：氣體吸附、氣體儲(chǔ)存。

這種內(nèi)嵌富勒烯可以讓原子鐘縮小成一塊手機(jī)芯片的尺寸而制造出小型便攜原子鐘，因此這項(xiàng)科技將會(huì)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，顯著的就是對(duì)無(wú)人駕駛車輛的控制，可以使GPS導(dǎo)航系統(tǒng)精確到1毫米?！耙苍S有一天，每部手機(jī)都會(huì)用上富勒烯?！?nbsp;