“內嵌富勒烯”材料為什么這么貴？

中國科學院化學研究所研究員、科技部納米重大科學研究計劃首席科學家王春儒告訴科技日報記者，內嵌有氮原子的內嵌富勒烯生產難、分離難、保存難，所以才特別昂貴。這種分子生產難度非常大，一般是在室溫下用氮離子轟擊C60的方法制得的，大多數氮離子或者擊不破C60碳籠，或者把碳籠打碎，只有極少數能量合適，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好，才能得到氮內嵌富勒烯；而把這生產出來的不到萬分之一的氮內嵌富勒烯從其他C60中分離出來并純化，也是一個極其艱巨的任務。后，內嵌有氮原子的富勒烯不太穩定，保存起來也非常困難。

富勒烯概述

早發現的富勒烯是由60個碳原子以20個六元環與12個五元環連接而成，具有30個雙鍵（C=C）的足球狀空心對稱分子，所以，富勒烯也稱為“足球烯”。 

由于富勒烯的對稱結構、在納米尺度范圍內特殊的穩定性，以及奇異的電子結構，因此富勒烯在許多高新技術領域應用潛力巨大，其在納米界享有“納米王子”的美譽，是未來二十年具影響力的新材料之一。

富勒烯是在石墨、鉆石之后被發現的單質碳的第三種同素異形體。“一個單個的氮原子非常容易活潑，如果沒有富勒烯C60這個碳籠對他進行保護，瞬間就會與其他物質反應，所以是一個極其不穩定的自由基。”王春儒說，“將氮原子放進富勒烯碳籠里面之后，如果沒有外界的打擾，它就會長期保持穩定；而如果一旦受到光、熱等因素的影響，它就會從籠子里跑掉,所以保存氮內嵌富勒烯必須避光和低溫。”

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

富勒烯性質

富勒烯結構中為特殊的性質是其碳籠內部為空腔結構，因此可以在其內部空腔內嵌某些特殊物種(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程中形成的，也可以通過化學方法將富勒烯打開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、制備工藝的復雜以及很低的收率，因此內嵌富勒烯是一類極為稀有的新型材料，但其獨特的性質卻可以使其在一些應用領域獲得出色的表現。牛津大學碳材料設計公司的N@C₆₀就屬于內嵌富勒烯。

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嵌富勒烯，同一碳籠內可以嵌入各種形態的金屬原子，如單金屬原子、同核或異核雙金屬團等。由于金屬富勒烯同時具有金屬和富勒烯的特性，使得它們在電子、能源、生物醫學等方面有著廣闊的應用前景。

富勒烯的應用

富勒烯由于其特殊的結構和性質，作為一類新興碳納米功能材料，在許多應用領域均有廣泛的應用前景，如：

◆ 生物制藥：診斷試劑、治療藥物、化妝品、核磁共振用顯影液。

◆ 能源領域：太陽能電池、燃料電池、二次電池。

◆ 工業領域：耐磨材料、阻燃材料、潤滑劑、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。

◆ 信息產業：半導體紀錄媒介、磁性材料、印刷、特殊用途紙張。

◆ 電子部件：超導材料、二極管、晶體管、誘導體。

◆ 光學材料：電子照相、熒光顯示管、非線性光學材料。

◆ 環境領域：氣體吸附、氣體儲存。

這種內嵌富勒烯可以讓原子鐘縮小成一塊手機芯片的尺寸而制造出小型便攜原子鐘，因此這項科技將會在各領域得到廣泛應用，顯著的就是對無人駕駛車輛的控制，可以使GPS導航系統精確到1毫米。“也許有一天，每部手機都會用上富勒烯。”