「納米足球」也有世界盃

2018年俄羅斯世界盃舉世矚目，現在已經進入關鍵的收官階段，小小的足球牽動著全球各國人民的心。為精彩的進球而歡呼，為不應該的失球而惋惜。而大多數人不知道的是，與此同時在科學界也正有一場「納米足球」世界競賽正在拉開帷幕。

不過，與真正的足球世界盃不同，科學界的這個「納米足球」比賽的時長不是短短的一個月，而是需要十幾甚至幾十年的宏大戰役；參賽的選手也不再是身手矯健的運動員，而是換成了智慧超群的的科學家；當然，比賽勝負也遠不是簡單幾個球的輸贏，而是數以萬億元計的龐大市場。

值得說明的是，在這裡中國隊不再是場外的看客，而是運動場中數一數二的超級強隊。

成員豐富的富勒烯納米足球「戰隊」

富勒烯是由純碳元素構成的封閉籠狀分子家族，典型的富勒烯分子 C60由60個碳原子組成，有12個五元環和20個六元環。因為其形狀與傳統的足球完全相同，故被稱為「納米足球」。

不過，納米足球的尺寸比真正的足球小太多太多，一般標準的足球直徑為22厘米，而「納米足球」的直徑約為1納米。有人計算過，如果把「納米足球」拿來與足球來比大小，其比例如同足球和地球相比差不多。

「納米足球」雖然個頭小，其來頭可挺大，它是宇宙送給人類的珍貴禮物。如果我們抬頭遙望星空，除了萬億億的恆星與行星外，宇宙空間還有大量的宇宙星雲，它們一般距離地球非常的遙遠，有時達幾千或幾萬光年。天文學家對於宇宙星雲的構成很有興趣，特別想知道它們是由什麼物質構成的，因為弄清這個問題對於研究宇宙的起源意義重大。只是這個問題說起來簡單，實際做起來卻很難。因為宇宙星雲離地球實在太遠了，連光都要走幾千幾萬年，肯定無法像研究地球上的物質一樣拿到樣品來進行分析。

宇宙星雲中的納米足球——富勒烯

俗話說，「有志者事竟成」。1985年，英國天文波譜學家 Kroto，美國天文物理學家 Curl 和美國化學家 Smalley 等人經過討論，決定在地球上模擬宇宙星雲的環境，來看看能夠產生些什麼樣的物質。他們根據前人對宇宙星雲的研究，把宇宙星雲的環境特點總結為兩條，即高真空和高能量，而根據地球上豐富的碳元素分布，他們認為宇宙星雲也應該含有大量的碳物質。

於是，這三位科學家設計了把一塊石墨放到了真空腔內，再利用高能激光濺射石墨的實驗方案，完美地模擬了宇宙星雲的環境。研究發現，在這種模擬宇宙星雲的環境下產生的碳物質中，C60分子具有異乎尋常的穩定性，據此提出了具有足球結構的富勒烯分子模型。11年後，Smalley、Curl、Kroto三位科學家因此獲得了1996年諾貝爾化學獎。

富勒烯生產設備——電弧爐

因富勒烯的發現，三位科學家獲得諾貝爾獎

納米足球具有完美的高度對稱球形結構，每一個碳原子都與周圍其他三個碳原子相聯，所以在化學上沒有懸掛鍵。這個特點使其在納米尺度具有超級穩定性，可以在空氣中穩定存在。此外，類似於苯分子的二維芳香性，富勒烯分子具有三維芳香性，整個富勒烯形成一個離域環繞球面的電子海洋，很容易進一步吸收電子。

富勒烯這種電子結構的特殊性使其在許多領域具有廣泛的應用。例如，富勒烯是有機柔性太陽能電池的主要活性成分，現在能量轉化效率已經超過10%的應用門檻；富勒烯添加在潤滑油里，可以提高潤滑油使用壽命30%以上；在氧碘化學激光器內腔塗布一層富勒烯，可以使激光能量成倍提高。

此外，富勒烯的中空結構，還使得它能夠裝入其它原子或分子，形成嵌套結構，帶來更多的應用。去年英國人合成的號稱全世界最貴物質 N@C60，就是在納米足球內裝入了一個氮原子，由於富勒烯碳籠的保護作用，非常活潑的單個氮原子也被穩定了下來。這個分子由於保留了氮原子優異的自旋性能，可望在分子器件中大展身手，而生產又很困難，因此價格奇高，1克這種 N@C60物質價值一億英鎊。

不過，科學家在實驗室研究得更多的是金屬富勒烯，即在富勒烯籠內置一個或多個金屬原子，增加了富勒烯的磁、光、電特性，因此受到極大關注，而價格也沒有像 N@C60那麼高得離譜。

「納米足球」世界盃競爭的焦點就在富勒烯的應用，因為富勒烯優異的特性，用途異常廣泛，所以這可是關乎接下來十幾年億萬美元的大市場。

目前，國際賽場上的強隊包括中國隊、美國隊、日本隊和歐洲隊，各自都有自己的絕活，勝負一時難定。其中，美國隊佔了先行之利，在富勒烯和金屬富勒烯原料的生產與分離方面佔有先機，在富勒烯的應用方面則率先推出了富勒烯潤滑油，在金屬富勒烯磁共振造影劑用於腫瘤診斷方面也居於國際前列；歐洲對於富勒烯的研發重視單分子器件的開發，包括單分子器件和量子計算機等，投入大，產出時間長，但一旦突破則必將石破天驚；日本隊的絕活則是全面開花、多點布局，已經推出富勒烯化妝品、抗菌無紡布、高爾夫球杆、濾光片等產品，雖還沒有成大氣候，但發展前景不可小覷。

中國隊現在則是在當今賽場上最為活躍和強大的隊伍，目前中科院、北京大學、清華大學、廈門大學、華中科技大學等十幾個科研單位均有富勒烯研究團隊。而國內富勒烯應用主要布局在納米藥物。其中，中科院化學所、高能所和國家納米中心近年來在腫瘤治療方面取得多項成果，使得我國在富勒烯藥物研究方面處於國際領跑狀態。特別是依託於中科院化學所技術形成的醫藥級高品質富勒烯和金屬富勒烯產品，已經在國內形成產業化布局。

納米足球——富勒烯的廣泛應用

萬人空巷的足球世界盃體現了足球征服世界的巨大魅力，而「納米足球」富勒烯的魅力同樣銳不可當。期待著目睹「納米足球」世界盃的精彩連連，也期望中國隊取得持續領先的好成績！

來源：中國科學院化學研究所

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！