一出生便“風華正茂”的富勒烯，曾被譽為“納米王子”，其三位發現者均被授予諾貝爾化學獎。20年來，“納米王子”卻經歷著從“盛讚追捧”到“門可羅雀”的成長之路。《千人》雜誌專訪國家“千人計劃”青年項目入選者、華中科技大學教授盧興，解開富勒烯材料的神秘面紗，直擊製備工藝多重困境，探討富勒烯市場化落地的“成長煩惱”。
國家“千人計劃”青年項目入選者、華中科技大學教授盧興
據英國《每日電訊報》網站報道， 2015年，牛津大學的碳材料研究團隊以2.2萬英鎊賣出首批200微克的“內嵌富勒烯”材料。該重量僅相當於一根頭髮的1/3、一片雪花的1/15，而每克材料的價值卻高達1億英鎊。有媒體感嘆，內嵌富勒烯是“世界上最昂貴的材料”。
一出生便“風華正茂”的富勒烯，曾被譽為“納米王子”，其三位發現者均被授予諾貝爾化學獎。20年來，“納米王子”卻經歷著從“盛讚追捧”到“門可羅雀”的成長之路。《千人》雜誌專訪國家“千人計劃”青年項目入選者、華中科技大學教授盧興，解開富勒烯材料的神秘面紗，直擊製備工藝多重困境，探討富勒烯市場化落地的“成長煩惱”。
揭開富勒烯的亞納米世界
富勒烯的發現極具偶然性。1985年，天文學家在實驗室模擬出宇宙星雲的高真空、高能量環境，利用高能量激光濺射放置在真空室環境中的石墨，意外發現了一種具有超穩定結構的類似足球的全碳分子。美國科學家羅伯特·科爾和理查德·斯莫利、英國科學家哈羅德·沃特爾·克羅託確定這種全碳分子的結構，並命名富勒烯。1996年，三位榮獲諾貝爾化學獎。自此，富勒烯作為一種新型碳材料開始在納米材料界佔據一席之地。
盧興形容它是“化學研究者們的最愛”，與其它碳材料相比，富勒烯是唯一具有確定分子結構的碳單質。此外，由於碳籠上原子具有芳香性，可與其它物質發生化學反應，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，呈現出不同的分子結構和化學性質，為富勒烯研究者提供了取之不盡的材料寶庫。
我們生活中肉眼可見的富勒烯材料，是科學家們將上萬個富勒烯球堆積形成的。早在1998年，人們就開始對富勒烯家族材料性質進行了探索。Vladimir D. Blank研究團隊獲得了基於富勒烯的新材料——超硬富勒烯。該新材料甚至可以在
金剛石上刻畫，在一定壓力下成為比金剛石更堅硬的材料。當科學家們將視角縮小10-9倍，回到富勒烯分子的亞納米世界時，富勒烯的空腔結構則為化學研究打開了另一扇窗口。
“在宏觀世界，我們可以用量尺去測量物體的大小，而在微觀世界裡，卻很難去精準描繪出物質的結構形狀；目前人們藉助電子顯微鏡已經可以對納米尺度的物質狀態進行觀察。”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，這相當於建立了微型的手術室，讓科學家可以在隔離的空間裡精確觀察該物質。當一個分子被包裹在富勒烯空腔內，科學家們甚至能清晰地定位每個原子的座標，觀察到原子之間的相互作用，從而在更微觀的世界裡，研究自然界中最本質的化學規律。
日本京都大學的學者曾將富勒烯碳籠打開，放入水分子，再關閉碳籠，在富勒烯碳籠的保護下首次得到了獨立的水分子。另一個有意思的實驗：當科學家將熒光標記材料放入碳籠內，打算藉助碳籠的保護進行生物標記實驗時，奇怪的是，當熒光材料進入碳籠後，空腔便像宏觀世界裡的電梯，自動屏蔽信號，外部幾乎接收不到內部材料的熒光信號。
富勒烯的製備面臨多重難關
在亞納米的世界裡，富勒烯的空腔結構蘊藏著難以估量的研究潛能。而當研究視角擴大10-9，宏觀世界裡富勒烯材料的製備過程卻遭遇了諸多難點。
2015年，牛津大學科學家得到的天價內嵌富勒烯材料便是最生動的例證。盧興介紹道，這種內嵌氮原子富勒烯的問題在於生產難、分離難、保存難。製備含氮內嵌富勒烯材料，需用氮等離子體轟擊富勒烯碳膜。在這個過程中，大多數氮原子難以進入或擊破碳籠，僅有少量氮原子進入碳籠，又剛好耗盡氮離子能量，而後碳籠自己修復好，得到了內嵌氮富勒烯。
此外，內嵌氮富勒烯與空腔富勒烯從結構和性質方面都比較接近，如何分離與純化，是一個更為艱鉅的任務。即便最後獲得了純淨的內嵌氮富勒烯，其穩定性也不高，對光和熱極為敏感，保存起來也十分困難。
中國科學院化學研究所研究員、科技部納米重大科學研究計劃首席科學家王春儒也曾對媒體表示：單個的氮原子非常活潑，如果沒有富勒烯C60這個碳籠對他進行保護，瞬間就會與其他物質反應，所以是一個極其不穩定的自由基。“將氮原子放進富勒烯碳籠裡面之後，如果沒有外界的打擾，它就會長期保持穩定；而如果一旦受到光、熱等因素的影響，它就會從籠子裡跑掉，所以保存氮內嵌富勒烯必須避光和低溫。”
盧興認為現今富勒烯研發的現狀為“兩頭短、中間大”、富勒烯材料的的合成產率低，應用市場空間還未明朗。以金屬富勒烯為例，它的年產量僅為公斤級。在製備過程中，由於常見的金屬材料呈塊狀，很難拿到遊離的金屬原子，且石墨的氣化也非常困難。因此在合成過程中，總是需要藉助電弧或激光來提供四五千攝氏度的高溫，生成遊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組裝完成，並將金屬離子包入籠內。由此可見，整個過程中外在的人為調控是非常困難的。
“如果能可控地拿到遊離態金屬原子，穩定的碳原子蒸汽，合成的可操作性就會增強。未來才會有更多的人來關注金屬富勒烯的應用。”盧興認為，在富勒烯研究領域還存在著人才短缺的問題。大部分研究者已將方向轉移至石墨烯等碳材料的研發，而在富勒烯領域堅守的人則越來越少，技術攻克的戰線也越拉越長。
富勒烯市場化面臨“成長煩惱”
過去20餘年，富勒烯開始在生物醫藥領域嘗試應用落地。在日本，人們利用富勒烯能消除自由基的功效製備化妝品，甚至有人將其做成富勒烯水在市場上銷售，並稱其為“C60生命之水”。
富勒烯作為一種極強的抗氧化物，在皮膚抗衰老、促進毛囊生長等領域也可能發揮作用。盧興提到有研究者曾做過的一個動物實驗：向一組小鼠餵食加入富勒烯和橄欖油的食物，後一組小鼠則食用為無添加食物，結果發現前組的小鼠壽命比後組平均增加一倍。
“這說明，富勒烯作為添加劑是沒有問題的，毒性小，進入人體後可排出。它作為自由基消除劑，能防止紫外線，在生髮方面也有作用。”盧興認為，富勒烯作為單分子毒理小，但人們在製作添加劑過程中，疊加了上萬個富勒烯分子，已經脫離了單個富勒烯分子本身的性質，呈現出宏觀材料的特性，可能存在堵塞毛孔的風險。
相比於富勒烯單體的研究，科學家們對於富勒烯衍生物的應用前景給予更高的期待值。有專家提到，內嵌富勒烯可作為原子鐘的關鍵部件，既能縮小體積，又可提高定位精度。“內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。這種技術未來可控制無人駕駛汽車。”盧興提出了一個假設，如果兩輛汽車在一條鄉間小路上相向而行，路面狹窄，對它們的定位精確到1米以內是不夠的，但使用該芯片後有可能將精度提高到1毫米。
近期，盧興團隊也做了自己的嘗試。他們發現，碳籠內兩個金屬原子在一定溫度下位置穩定，當溫度發生變化並達到某個溫度值時，金屬原子會在碳籠裡開始轉動。“利用金屬富勒烯的這種特性，我們可以嘗試設計納米級的‘溫度計’，可適用於更精細的機器溫度的測定。”
事實上，科學家已描繪出富勒烯家族的應用藍圖，但市場化落地卻遭遇系列的“成長煩惱”。盧興提到，“儘管科學家們已經知道，內嵌富勒烯在電子學、光學、電磁學、醫藥學等領域有廣闊應用前景。但研究金屬富勒烯的學術門檻較高，製備工藝技術難度較大，量產化較難，因此市場化仍然很難落地。”
反思富勒烯的研究意義，盧興認為，富勒烯的特殊空腔結構為科學家提供了一個獨立的亞納米級“隔離實驗室”。藉助碳籠的保護，科學家可採用單晶X-射線衍射法精確觀察亞納米尺度下分子間的相互作用，從而發現自然界的新規律。
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