富勒烯应用研究进展

李文兵　张涛

摘 要：本文主要介绍了近些年富勒烯在应用领域的研究进展。

关键词：富勒烯；应用领域；材料；医学

中图分类号：TQ253 文献标识码：B 文章编号：1671-2064（2018）04-0000-00

1985年，Kroto、Curl和Smally等人[1]在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60，并推测了其结构。这一新结构立即引起了科学家们的广泛关注。人们通过质谱分析、X射线分析证明，C60的分子结构为球形32面体，它是由60个碳原子通过20个六元环和12个五元環连接而成的具有30个碳碳双键足球状空心对称分子（其立体结构如图1所示）。1990年，Kriischmer等人[2]首次报道了大量合成C60的方法，这使得C60的研究工作得以大量的展开。为表彰Kroto等三人的工作，1996年授予他们诺贝尔化学奖。

自从1985年Kroto等人发现C60以来，以其独特的结构吸引了包括物理、化学、生物和医药等领域的科学家的关注，紧接着，人们发现C60仅是笼状结构中的其中一种。很快，内嵌金属原子的富勒烯衍生物为人们所合成，并且其它像杂原子富勒烯和碳纳米管，纳米洋葱状富勒烯等结构相关的基模逐渐被报道[3]。时至今日，包括富勒烯的制备，光电性质，制作光伏电池，富勒烯衍生物包括内嵌等的新的特殊性质，以及在超分子自组装等方面的应用与开发工作已被人们如火如荼的展开。

1 超导性

其实，C60分子本身并不能导电，是一个绝缘体。但是当把金属如碱金属等嵌入到C60分子之间的空隙中后，C60与碱金属组成的一系列化合物就会转变成超导体，比如，K3C60就是一种超导体，它拥有很高的超临界温度，其超导起始温度为8K，经研究发现，这类材料是用晶格里的电洞来传导电流，类似于p型半导体，并且研究还发现，若加入三溴甲烷等分子，可以拉长晶格间的距离，同时可以有效的提高超导相变温度。北京大学与中科院物理所合作成功的合成了K3C60和Rb3C60。与人们所熟知的氧化物超导体相比较，C60系列的超导体有着完美的三维超导性，电流密度大，稳定性较高和易于展成线材等优点，是一类极其具有应用价值的新型超导材料。

2 用于气体的贮存

由于富勒烯的独特的空腔结构，可以利用化学方法将表面的化学键打开，然后将所需要的小分子放入笼中，从而制备出新型的材料，拥有一些特殊的应用。例如，2013年，Spivey James J.等人就发现氮掺杂的富勒烯就可以作为一种潜在的氢燃料电池的催化剂。他们用自旋极化的密度泛函数理论的第一性原理运算来模拟N-C60的电催化反应。根据第一性原理计算得知不需要任何活化作用，氧气分子即可以被N-C60所吸收，并且会由于N-C60的HH和HP Pauling site的不同，吸收氧的量会有一定的减少。通过直接或者间接的方法使得那些减少的氧气可以与H+和额外的电子反应生成H2O分子，整个催化循环反应能量没有损失，并且N-C60富勒烯又回到最初的结构，从而进行下一个循环，经鉴定催化活性位点就是N-C60上的HH和HP Pauling sites，这些结果都说明了N-C60是一种潜在的氢燃料电池的阴极催化剂。

3 用于制造光学材料

2011年，Nakamura Eiichi课题组发现将光电继电器与铟锡氧化物焊接在一起，作为双富勒烯分子的自组装单分子层（SAM），即一种能产生阳极电流的C60和掺杂一个铁原子的C70。这些装置在波长范围为340-490 nm的光的照射下会产生一个双向电流。这种新型的C70-Fe复合物可以忍耐三个强羧酸基的存在，如Fe[C70（C6H4C6H4COOH）3]Cp，可以在350-700 nm波段的光激发下产生阴极电流。随着这些富勒烯金属配合物吸收光波波长范围的扩大和提高，在量子效率上的提高和电流密度的提高的研究工作也就正在被人们所关注。

4 生物学及医学应用

富勒烯及其衍生物具有细胞保护作用和抗氧化活性，抗病毒，抗菌活性，承载药物和治疗肿瘤等活性。血管再生抑制技术一直是一种有效的的治疗癌症的手段和策略，因为不受控制的肿瘤的增长就是依靠肿瘤血管的再生和重组的血液供应。分子形式的血管再生抑制技术已经取得了长足的发展，但是其有限的抑制范围限制了抗癌药物的效率，因为对于肿瘤能够血管再生的因素，这些分子形式的抑制剂只能针对其中的几种甚至一种因素有效，最终因为不能抑制其它血管再生因素而使得治疗癌症的目的失败。2010年，Zhao，Y.-L.小组报道了一篇关于一种富勒烯衍生物具有有效的血管再生抑制作用的文章。他们展示了Gd@C82（OH）22纳米微粒（f-NPs）直接作为抗癌药物的能力，并揭示了有效血管再生抑制剂的范围，粒子组成的富勒烯衍生物比分子组成的传统抗癌药物有着非常有利的独特性质。优先于传统分子水平药物，这些研究为在癌症治疗方面开发新的形式的药物提供一个新的视角，即微粒药物。

参考文献

[1]Kroto， H. W.； Heath， J. H.； OBrien， S. C.； et al. C60： Buckminsterfullerene[J]. Nature， 1985， 318， 162-162.

[2]Kratchmer， W.； Lamb， L. D.； Huffman， D. R.； et al. Solid C60： a new form of carbon[J]. Nature 1990， 347， 354-358.

[3]Krokos， E. Plasma Coupled Radio Frequency Furnace： The Synthesis， Separation， and Elucidation of the Elusive Sc4C82 Fullerene[J]. J. Phys. Chem. C. 2010， 114， 7626-7630.

作者简介：李文兵（1983—），男，汉族，安徽巢湖人，工程师，硕士，研究方向：化学工程与工艺；张涛（1987—），男，汉族，安徽当涂人，工程师，学士，研究方向：应用化学。