“纳米足球”也有世界杯

2018 年 7 月 14 日 中国物理学会期刊网

2018年俄罗斯世界杯举世瞩目，现在已经进入关键的收官阶段，小小的足球牵动着全球各国人民的心。为精彩的进球而欢呼，为不应该的失球而惋惜。而大多数人不知道的是，与此同时在科学界也正有一场“纳米足球”世界竞赛正在拉开帷幕。

不过，与真正的足球世界杯不同，科学界的这个“纳米足球”比赛的时长不是短短的一个月，而是需要十几甚至几十年的宏大战役；参赛的选手也不再是身手矫健的运动员，而是换成了智慧超群的的科学家；当然，比赛胜负也远不是简单几个球的输赢，而是数以万亿元计的庞大市场。

值得说明的是，在这里中国队不再是场外的看客，而是运动场中数一数二的超级强队。

成员丰富的富勒烯纳米足球“战队”

富勒烯是由纯碳元素构成的封闭笼状分子家族，典型的富勒烯分子 C₆₀由60个碳原子组成，有12个五元环和20个六元环。因为其形状与传统的足球完全相同，故被称为“纳米足球”。

不过，纳米足球的尺寸比真正的足球小太多太多，一般标准的足球直径为22厘米，而“纳米足球”的直径约为1纳米。有人计算过，如果把“纳米足球”拿来与足球来比大小，其比例如同足球和地球相比差不多。

“纳米足球”虽然个头小，其来头可挺大，它是宇宙送给人类的珍贵礼物。如果我们抬头遥望星空，除了万亿亿的恒星与行星外，宇宙空间还有大量的宇宙星云，它们一般距离地球非常的遥远，有时达几千或几万光年。天文学家对于宇宙星云的构成很有兴趣，特别想知道它们是由什么物质构成的，因为弄清这个问题对于研究宇宙的起源意义重大。只是这个问题说起来简单，实际做起来却很难。因为宇宙星云离地球实在太远了，连光都要走几千几万年，肯定无法像研究地球上的物质一样拿到样品来进行分析。

宇宙星云中的纳米足球——富勒烯

俗话说，“有志者事竟成”。1985年，英国天文波谱学家 Kroto，美国天文物理学家 Curl 和美国化学家 Smalley 等人经过讨论，决定在地球上模拟宇宙星云的环境，来看看能够产生些什么样的物质。他们根据前人对宇宙星云的研究，把宇宙星云的环境特点总结为两条，即高真空和高能量，而根据地球上丰富的碳元素分布，他们认为宇宙星云也应该含有大量的碳物质。

于是，这三位科学家设计了把一块石墨放到了真空腔内，再利用高能激光溅射石墨的实验方案，完美地模拟了宇宙星云的环境。研究发现，在这种模拟宇宙星云的环境下产生的碳物质中，C₆₀分子具有异乎寻常的稳定性，据此提出了具有足球结构的富勒烯分子模型。11年后，Smalley、Curl、Kroto三位科学家因此获得了1996年诺贝尔化学奖。

富勒烯生产设备——电弧炉

因富勒烯的发现，三位科学家获得诺贝尔奖

纳米足球具有完美的高度对称球形结构，每一个碳原子都与周围其他三个碳原子相联，所以在化学上没有悬挂键。这个特点使其在纳米尺度具有超级稳定性，可以在空气中稳定存在。此外，类似于苯分子的二维芳香性，富勒烯分子具有三维芳香性，整个富勒烯形成一个离域环绕球面的电子海洋，很容易进一步吸收电子。

富勒烯这种电子结构的特殊性使其在许多领域具有广泛的应用。例如，富勒烯是有机柔性太阳能电池的主要活性成分，现在能量转化效率已经超过10%的应用门槛；富勒烯添加在润滑油里，可以提高润滑油使用寿命30%以上；在氧碘化学激光器内腔涂布一层富勒烯，可以使激光能量成倍提高。

此外，富勒烯的中空结构，还使得它能够装入其它原子或分子，形成嵌套结构，带来更多的应用。去年英国人合成的号称全世界最贵物质 N@C₆₀，就是在纳米足球内装入了一个氮原子，由于富勒烯碳笼的保护作用，非常活泼的单个氮原子也被稳定了下来。这个分子由于保留了氮原子优异的自旋性能，可望在分子器件中大展身手，而生产又很困难，因此价格奇高，1克这种 N@C₆₀物质价值一亿英镑。

不过，科学家在实验室研究得更多的是金属富勒烯，即在富勒烯笼内置一个或多个金属原子，增加了富勒烯的磁、光、电特性，因此受到极大关注，而价格也没有像 N@C₆₀那么高得离谱。

“纳米足球”世界杯竞争的焦点就在富勒烯的应用，因为富勒烯优异的特性，用途异常广泛，所以这可是关乎接下来十几年亿万美元的大市场。

目前，国际赛场上的强队包括中国队、美国队、日本队和欧洲队，各自都有自己的绝活，胜负一时难定。其中，美国队占了先行之利，在富勒烯和金属富勒烯原料的生产与分离方面占有先机，在富勒烯的应用方面则率先推出了富勒烯润滑油，在金属富勒烯磁共振造影剂用于肿瘤诊断方面也居于国际前列；欧洲对于富勒烯的研发重视单分子器件的开发，包括单分子器件和量子计算机等，投入大，产出时间长，但一旦突破则必将石破天惊；日本队的绝活则是全面开花、多点布局，已经推出富勒烯化妆品、抗菌无纺布、高尔夫球杆、滤光片等产品，虽还没有成大气候，但发展前景不可小觑。

中国队现在则是在当今赛场上最为活跃和强大的队伍，目前中科院、北京大学、清华大学、厦门大学、华中科技大学等十几个科研单位均有富勒烯研究团队。而国内富勒烯应用主要布局在纳米药物。其中，中科院化学所、高能所和国家纳米中心近年来在肿瘤治疗方面取得多项成果，使得我国在富勒烯药物研究方面处于国际领跑状态。特别是依托于中科院化学所技术形成的医药级高品质富勒烯和金属富勒烯产品，已经在国内形成产业化布局。