富勒烯應(yīng)用研究進展

李文兵　張濤

摘 要：本文主要介紹了近些年富勒烯在應(yīng)用領(lǐng)域的研究進展。

關(guān)鍵詞：富勒烯；應(yīng)用領(lǐng)域；材料；醫(yī)學(xué)

中圖分類號：TQ253 文獻標識碼：B 文章編號：1671-2064（2018）04-0000-00

1985年，Kroto、Curl和Smally等人[1]在氦氣流中以激光汽化蒸發(fā)石墨實驗中首次制得由60個碳組成的碳原子簇結(jié)構(gòu)分子C60，并推測了其結(jié)構(gòu)。這一新結(jié)構(gòu)立即引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。人們通過質(zhì)譜分析、X射線分析證明，C60的分子結(jié)構(gòu)為球形32面體，它是由60個碳原子通過20個六元環(huán)和12個五元環(huán)連接而成的具有30個碳碳雙鍵足球狀空心對稱分子（其立體結(jié)構(gòu)如圖1所示）。1990年，Kriischmer等人[2]首次報道了大量合成C60的方法，這使得C60的研究工作得以大量的展開。為表彰Kroto等三人的工作，1996年授予他們諾貝爾化學(xué)獎。

自從1985年Kroto等人發(fā)現(xiàn)C60以來，以其獨特的結(jié)構(gòu)吸引了包括物理、化學(xué)、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域的科學(xué)家的關(guān)注，緊接著，人們發(fā)現(xiàn)C60僅是籠狀結(jié)構(gòu)中的其中一種。很快，內(nèi)嵌金屬原子的富勒烯衍生物為人們所合成，并且其它像雜原子富勒烯和碳納米管，納米洋蔥狀富勒烯等結(jié)構(gòu)相關(guān)的基模逐漸被報道[3]。時至今日，包括富勒烯的制備，光電性質(zhì)，制作光伏電池，富勒烯衍生物包括內(nèi)嵌等的新的特殊性質(zhì)，以及在超分子自組裝等方面的應(yīng)用與開發(fā)工作已被人們?nèi)缁鹑巛钡恼归_。

1 超導(dǎo)性

其實，C60分子本身并不能導(dǎo)電，是一個絕緣體。但是當(dāng)把金屬如堿金屬等嵌入到C60分子之間的空隙中后，C60與堿金屬組成的一系列化合物就會轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體，比如，K3C60就是一種超導(dǎo)體，它擁有很高的超臨界溫度，其超導(dǎo)起始溫度為8K，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這類材料是用晶格里的電洞來傳導(dǎo)電流，類似于p型半導(dǎo)體，并且研究還發(fā)現(xiàn)，若加入三溴甲烷等分子，可以拉長晶格間的距離，同時可以有效的提高超導(dǎo)相變溫度。北京大學(xué)與中科院物理所合作成功的合成了K3C60和Rb3C60。與人們所熟知的氧化物超導(dǎo)體相比較，C60系列的超導(dǎo)體有著完美的三維超導(dǎo)性，電流密度大，穩(wěn)定性較高和易于展成線材等優(yōu)點，是一類極其具有應(yīng)用價值的新型超導(dǎo)材料。

2 用于氣體的貯存

由于富勒烯的獨特的空腔結(jié)構(gòu)，可以利用化學(xué)方法將表面的化學(xué)鍵打開，然后將所需要的小分子放入籠中，從而制備出新型的材料，擁有一些特殊的應(yīng)用。例如，2013年，Spivey James J.等人就發(fā)現(xiàn)氮摻雜的富勒烯就可以作為一種潛在的氫燃料電池的催化劑。他們用自旋極化的密度泛函數(shù)理論的第一性原理運算來模擬N-C60的電催化反應(yīng)。根據(jù)第一性原理計算得知不需要任何活化作用，氧氣分子即可以被N-C60所吸收，并且會由于N-C60的HH和HP Pauling site的不同，吸收氧的量會有一定的減少。通過直接或者間接的方法使得那些減少的氧氣可以與H+和額外的電子反應(yīng)生成H2O分子，整個催化循環(huán)反應(yīng)能量沒有損失，并且N-C60富勒烯又回到最初的結(jié)構(gòu)，從而進行下一個循環(huán)，經(jīng)鑒定催化活性位點就是N-C60上的HH和HP Pauling sites，這些結(jié)果都說明了N-C60是一種潛在的氫燃料電池的陰極催化劑。

3 用于制造光學(xué)材料

2011年，Nakamura Eiichi課題組發(fā)現(xiàn)將光電繼電器與銦錫氧化物焊接在一起，作為雙富勒烯分子的自組裝單分子層（SAM），即一種能產(chǎn)生陽極電流的C60和摻雜一個鐵原子的C70。這些裝置在波長范圍為340-490 nm的光的照射下會產(chǎn)生一個雙向電流。這種新型的C70-Fe復(fù)合物可以忍耐三個強羧酸基的存在，如Fe[C70（C6H4C6H4COOH）3]Cp，可以在350-700 nm波段的光激發(fā)下產(chǎn)生陰極電流。隨著這些富勒烯金屬配合物吸收光波波長范圍的擴大和提高，在量子效率上的提高和電流密度的提高的研究工作也就正在被人們所關(guān)注。

4 生物學(xué)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用

富勒烯及其衍生物具有細胞保護作用和抗氧化活性，抗病毒，抗菌活性，承載藥物和治療腫瘤等活性。血管再生抑制技術(shù)一直是一種有效的的治療癌癥的手段和策略，因為不受控制的腫瘤的增長就是依靠腫瘤血管的再生和重組的血液供應(yīng)。分子形式的血管再生抑制技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但是其有限的抑制范圍限制了抗癌藥物的效率，因為對于腫瘤能夠血管再生的因素，這些分子形式的抑制劑只能針對其中的幾種甚至一種因素有效，最終因為不能抑制其它血管再生因素而使得治療癌癥的目的失敗。2010年，Zhao，Y.-L.小組報道了一篇關(guān)于一種富勒烯衍生物具有有效的血管再生抑制作用的文章。他們展示了Gd@C82（OH）22納米微粒（f-NPs）直接作為抗癌藥物的能力，并揭示了有效血管再生抑制劑的范圍，粒子組成的富勒烯衍生物比分子組成的傳統(tǒng)抗癌藥物有著非常有利的獨特性質(zhì)。優(yōu)先于傳統(tǒng)分子水平藥物，這些研究為在癌癥治療方面開發(fā)新的形式的藥物提供一個新的視角，即微粒藥物。

參考文獻

[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.

作者簡介：李文兵（1983—），男，漢族，安徽巢湖人，工程師，碩士，研究方向：化學(xué)工程與工藝；張濤（1987—），男，漢族，安徽當(dāng)涂人，工程師，學(xué)士，研究方向：應(yīng)用化學(xué)。