超硬材料網(wǎng)

        一出生便“風(fēng)華正茂”的富勒烯，曾被譽(yù)為“納米王子”，其三位發(fā)現(xiàn)者均被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。20年來(lái)，“納米王子”卻經(jīng)歷著從“盛贊追捧”到“門(mén)可羅雀”的成長(zhǎng)之路。《千人》雜志專(zhuān)訪(fǎng)國(guó)家“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目入選者、華中科技大學(xué)教授盧興，解開(kāi)富勒烯材料的神秘面紗，直擊制備工藝多重困境，探討富勒烯市場(chǎng)化落地的“成長(zhǎng)煩惱”。

國(guó)家“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目入選者、華中科技大學(xué)教授盧興

        據(jù)英國(guó)《每日電訊報(bào)》網(wǎng)站報(bào)道， 2015年，牛津大學(xué)的碳材料研究團(tuán)隊(duì)以2.2萬(wàn)英鎊賣(mài)出首批200微克的“內(nèi)嵌富勒烯”材料。該重量?jī)H相當(dāng)于一根頭發(fā)的1/3、一片雪花的1/15，而每克材料的價(jià)值卻高達(dá)1億英鎊。有媒體感嘆，內(nèi)嵌富勒烯是“世界上最昂貴的材料”。

        一出生便“風(fēng)華正茂”的富勒烯，曾被譽(yù)為“納米王子”，其三位發(fā)現(xiàn)者均被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。20年來(lái)，“納米王子”卻經(jīng)歷著從“盛贊追捧”到“門(mén)可羅雀”的成長(zhǎng)之路。《千人》雜志專(zhuān)訪(fǎng)國(guó)家“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目入選者、華中科技大學(xué)教授盧興，解開(kāi)富勒烯材料的神秘面紗，直擊制備工藝多重困境，探討富勒烯市場(chǎng)化落地的“成長(zhǎng)煩惱”。

        揭開(kāi)富勒烯的亞納米世界

        富勒烯的發(fā)現(xiàn)極具偶然性。1985年，天文學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室模擬出宇宙星云的高真空、高能量環(huán)境，利用高能量激光濺射放置在真空室環(huán)境中的石墨，意外發(fā)現(xiàn)了一種具有超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的類(lèi)似足球的全碳分子。美國(guó)科學(xué)家羅伯特·科爾和理查德·斯莫利、英國(guó)科學(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托確定這種全碳分子的結(jié)構(gòu)，并命名富勒烯。1996年，三位榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。自此，富勒烯作為一種新型碳材料開(kāi)始在納米材料界占據(jù)一席之地。

        盧興形容它是“化學(xué)研究者們的最?lèi)?ài)”，與其它碳材料相比，富勒烯是唯一具有確定分子結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)。此外，由于碳籠上原子具有芳香性，可與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而得到一系列富勒烯衍生物。而家族的新成員們“性格”各異，呈現(xiàn)出不同的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，為富勒烯研究者提供了取之不盡的材料寶庫(kù)。

        我們生活中肉眼可見(jiàn)的富勒烯材料，是科學(xué)家們將上萬(wàn)個(gè)富勒烯球堆積形成的。早在1998年，人們就開(kāi)始對(duì)富勒烯家族材料性質(zhì)進(jìn)行了探索。Vladimir D. Blank研究團(tuán)隊(duì)獲得了基于富勒烯的新材料——超硬富勒烯。該新材料甚至可以在金剛石上刻畫(huà)，在一定壓力下成為比金剛石更堅(jiān)硬的材料。

        當(dāng)科學(xué)家們將視角縮小10-9倍，回到富勒烯分子的亞納米世界時(shí)，富勒烯的空腔結(jié)構(gòu)則為化學(xué)研究打開(kāi)了另一扇窗口。

        “在宏觀世界，我們可以用量尺去測(cè)量物體的大小，而在微觀世界里，卻很難去精準(zhǔn)描繪出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形狀；目前人們借助電子顯微鏡已經(jīng)可以對(duì)納米尺度的物質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行觀察。”盧興介紹，富勒烯的空腔提供了亞納米的空間，可以裝載納米以下的物質(zhì)，這相當(dāng)于建立了微型的手術(shù)室，讓科學(xué)家可以在隔離的空間里精確觀察該物質(zhì)。當(dāng)一個(gè)分子被包裹在富勒烯空腔內(nèi)，科學(xué)家們甚至能清晰地定位每個(gè)原子的坐標(biāo)，觀察到原子之間的相互作用，從而在更微觀的世界里，研究自然界中最本質(zhì)的化學(xué)規(guī)律。

        日本京都大學(xué)的學(xué)者曾將富勒烯碳籠打開(kāi)，放入水分子，再關(guān)閉碳籠，在富勒烯碳籠的保護(hù)下首次得到了獨(dú)立的水分子。另一個(gè)有意思的實(shí)驗(yàn)：當(dāng)科學(xué)家將熒光標(biāo)記材料放入碳籠內(nèi)，打算借助碳籠的保護(hù)進(jìn)行生物標(biāo)記實(shí)驗(yàn)時(shí)，奇怪的是，當(dāng)熒光材料進(jìn)入碳籠后，空腔便像宏觀世界里的電梯，自動(dòng)屏蔽信號(hào)，外部幾乎接收不到內(nèi)部材料的熒光信號(hào)。

        科學(xué)家總在不斷地挑戰(zhàn)不可能。盧興團(tuán)隊(duì)最近的研究發(fā)現(xiàn)，“雖然富勒烯碳籠有一定的屏蔽作用，但我們?nèi)杂修k法去跟空腔內(nèi)物質(zhì)‘對(duì)話(huà)’。他們?cè)谔蓟\內(nèi)放置兩個(gè)金屬原子，籠外給整個(gè)分子提供電子。這時(shí)電子會(huì)跑到碳籠內(nèi)金屬之間，與金屬原子發(fā)生“互動(dòng)”。科學(xué)家利用該“技能”，甚至可以操控富勒烯內(nèi)原子成鍵，或讓其呈現(xiàn)平面型及三葉草等不同形狀。當(dāng)研究者精準(zhǔn)定點(diǎn)摻雜金屬原子時(shí)，類(lèi)似于生物醫(yī)藥上的基因編輯，按照實(shí)驗(yàn)的需求，在空腔內(nèi)操控原子的運(yùn)動(dòng)，從而得到人類(lèi)所需的材料。

        富勒烯的制備面臨多重難關(guān)

        在亞納米的世界里，富勒烯的空腔結(jié)構(gòu)蘊(yùn)藏著難以估量的研究潛能。而當(dāng)研究視角擴(kuò)大10-9，宏觀世界里富勒烯材料的制備過(guò)程卻遭遇了諸多難點(diǎn)。

        2015年，牛津大學(xué)科學(xué)家得到的天價(jià)內(nèi)嵌富勒烯材料便是最生動(dòng)的例證。盧興介紹道，這種內(nèi)嵌氮原子富勒烯的問(wèn)題在于生產(chǎn)難、分離難、保存難。制備含氮內(nèi)嵌富勒烯材料，需用氮等離子體轟擊富勒烯碳膜。在這個(gè)過(guò)程中，大多數(shù)氮原子難以進(jìn)入或擊破碳籠，僅有少量氮原子進(jìn)入碳籠，又剛好耗盡氮離子能量，而后碳籠自己修復(fù)好，得到了內(nèi)嵌氮富勒烯。

        此外，內(nèi)嵌氮富勒烯與空腔富勒烯從結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面都比較接近，如何分離與純化，是一個(gè)更為艱巨的任務(wù)。即便最后獲得了純凈的內(nèi)嵌氮富勒烯，其穩(wěn)定性也不高，對(duì)光和熱極為敏感，保存起來(lái)也十分困難。

        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)家王春儒也曾對(duì)媒體表示：?jiǎn)蝹€(gè)的氮原子非常活潑，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。“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。”

        盧興認(rèn)為現(xiàn)今富勒烯研發(fā)的現(xiàn)狀為“兩頭短、中間大”、富勒烯材料的的合成產(chǎn)率低，應(yīng)用市場(chǎng)空間還未明朗。以金屬富勒烯為例，它的年產(chǎn)量?jī)H為公斤級(jí)。在制備過(guò)程中，由于常見(jiàn)的金屬材料呈塊狀，很難拿到游離的金屬原子，且石墨的氣化也非常困難。因此在合成過(guò)程中，總是需要借助電弧或激光來(lái)提供四五千攝氏度的高溫，生成游離的金屬等離子體和碳原子，由碳原子組成的分子碎片自動(dòng)組裝完成，并將金屬離子包入籠內(nèi)。由此可見(jiàn)，整個(gè)過(guò)程中外在的人為調(diào)控是非常困難的。

        “如果能可控地拿到游離態(tài)金屬原子，穩(wěn)定的碳原子蒸汽，合成的可操作性就會(huì)增強(qiáng)。未來(lái)才會(huì)有更多的人來(lái)關(guān)注金屬富勒烯的應(yīng)用。”盧興認(rèn)為，在富勒烯研究領(lǐng)域還存在著人才短缺的問(wèn)題。大部分研究者已將方向轉(zhuǎn)移至石墨烯等碳材料的研發(fā)，而在富勒烯領(lǐng)域堅(jiān)守的人則越來(lái)越少，技術(shù)攻克的戰(zhàn)線(xiàn)也越拉越長(zhǎng)。

        富勒烯市場(chǎng)化面臨“成長(zhǎng)煩惱”

        過(guò)去20余年，富勒烯開(kāi)始在生物醫(yī)藥領(lǐng)域嘗試應(yīng)用落地。在日本，人們利用富勒烯能消除自由基的功效制備化妝品，甚至有人將其做成富勒烯水在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，并稱(chēng)其為“C60生命之水”。

        富勒烯作為一種極強(qiáng)的抗氧化物，在皮膚抗衰老、促進(jìn)毛囊生長(zhǎng)等領(lǐng)域也可能發(fā)揮作用。盧興提到有研究者曾做過(guò)的一個(gè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：向一組小鼠喂食加入富勒烯和橄欖油的食物，后一組小鼠則食用為無(wú)添加食物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前組的小鼠壽命比后組平均增加一倍。

        “這說(shuō)明，富勒烯作為添加劑是沒(méi)有問(wèn)題的，毒性小，進(jìn)入人體后可排出。它作為自由基消除劑，能防止紫外線(xiàn)，在生發(fā)方面也有作用。”盧興認(rèn)為，富勒烯作為單分子毒理小，但人們?cè)谥谱魈砑觿┻^(guò)程中，疊加了上萬(wàn)個(gè)富勒烯分子，已經(jīng)脫離了單個(gè)富勒烯分子本身的性質(zhì)，呈現(xiàn)出宏觀材料的特性，可能存在堵塞毛孔的風(fēng)險(xiǎn)。

        相比于富勒烯單體的研究，科學(xué)家們對(duì)于富勒烯衍生物的應(yīng)用前景給予更高的期待值。有專(zhuān)家提到，內(nèi)嵌富勒烯可作為原子鐘的關(guān)鍵部件，既能縮小體積，又可提高定位精度。“內(nèi)嵌富勒烯可使原子鐘小到能夠安裝在芯片上，從而植入手機(jī)。這種技術(shù)未來(lái)可控制無(wú)人駕駛汽車(chē)。”盧興提出了一個(gè)假設(shè)，如果兩輛汽車(chē)在一條鄉(xiāng)間小路上相向而行，路面狹窄，對(duì)它們的定位精確到1米以?xún)?nèi)是不夠的，但使用該芯片后有可能將精度提高到1毫米。

        近期，盧興團(tuán)隊(duì)也做了自己的嘗試。他們發(fā)現(xiàn)，碳籠內(nèi)兩個(gè)金屬原子在一定溫度下位置穩(wěn)定，當(dāng)溫度發(fā)生變化并達(dá)到某個(gè)溫度值時(shí)，金屬原子會(huì)在碳籠里開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。“利用金屬富勒烯的這種特性，我們可以嘗試設(shè)計(jì)納米級(jí)的‘溫度計(jì)’，可適用于更精細(xì)的機(jī)器溫度的測(cè)定。”

        事實(shí)上，科學(xué)家已描繪出富勒烯家族的應(yīng)用藍(lán)圖，但市場(chǎng)化落地卻遭遇系列的“成長(zhǎng)煩惱”。盧興提到，“盡管科學(xué)家們已經(jīng)知道，內(nèi)嵌富勒烯在電子學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。但研究金屬富勒烯的學(xué)術(shù)門(mén)檻較高，制備工藝技術(shù)難度較大，量產(chǎn)化較難，因此市場(chǎng)化仍然很難落地。”

        反思富勒烯的研究意義，盧興認(rèn)為，富勒烯的特殊空腔結(jié)構(gòu)為科學(xué)家提供了一個(gè)獨(dú)立的亞納米級(jí)“隔離實(shí)驗(yàn)室”。借助碳籠的保護(hù)，科學(xué)家可采用單晶X-射線(xiàn)衍射法精確觀察亞納米尺度下分子間的相互作用，從而發(fā)現(xiàn)自然界的新規(guī)律。