如果把一顆足球不斷縮小、縮小，再縮小到納米尺度，會發(fā)生什么？

化學(xué)家給出的答案是：你可能會看到一種著名的碳分子——C60，它還有一個更廣為人知的名字：足球烯，或者更正式地說，巴克明斯特·富勒烯（Buckminsterfullerene）。這種分子由60個碳原子構(gòu)成，外形酷似足球，由12個五邊形和20個六邊形拼接而成，因此常被形象地稱作“足球烯"。

在石墨和金剛石之外，碳還有“第三種傳奇"

在很長一段時間里，人們熟悉的碳材料主要是石墨和金剛石。直到20世紀(jì)80年代，科學(xué)界才真正意識到：碳還可能形成一種封閉籠狀結(jié)構(gòu)的新家族——富勒烯（fullerenes）。其實，在正式發(fā)現(xiàn)之前，關(guān)于這種籠狀碳分子的理論設(shè)想已經(jīng)出現(xiàn)過。早在1970年前后，就有學(xué)者提出C60這類空心碳籠結(jié)構(gòu)的可能性。

1985年，美國萊斯大學(xué)哈羅德·克羅托（Harold Kroto）、羅伯特·柯爾（Robert Curl）和理查德·斯莫利（Richard Smalley）等研究人員在研究碳團簇時，用激光汽化石墨，并通過飛行時間質(zhì)譜分析生成的碳簇。他們發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，質(zhì)量數(shù)為720的峰異常強烈，這對應(yīng)的正是60個碳原子組成的簇團C60。這意味著，C60似乎是一種“特別穩(wěn)定"的碳結(jié)構(gòu)。研究者進一步提出，它很可能不是一團雜亂無章的碳，而是一個高度對稱、封閉成籠的分子。這個結(jié)構(gòu)借鑒了美國著名建筑師巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的測地線網(wǎng)格球形穹頂設(shè)計，于是被命名為Buckminsterfullerene，也就是巴克明斯特·富勒烯。

1985年的發(fā)現(xiàn)非常震撼，但當(dāng)時有一個現(xiàn)實問題：量太少了。科學(xué)家雖然在質(zhì)譜里“看到了"它，卻還不能方便地分離出大量樣品做更系統(tǒng)的研究。真正推動富勒烯研究爆發(fā)的是1990年的關(guān)鍵進展：美國亞利桑那大學(xué)物理系與德國馬克斯普朗克研究所教授合作通過石墨電弧法制備出了可溶、可提取的富勒烯混合物，并證實其中存在C60和C70。這一步讓富勒烯從“質(zhì)譜中的一個峰"，變成了“實驗臺上的一種材料"。[1][2]

二十面體富勒烯（C60）[2]

1996年：諾貝爾獎的加冕

由于發(fā)現(xiàn)了富勒烯這一全新的碳分子家族，哈羅德·克羅托（Harold Kroto）、羅伯特·柯爾（Robert Curl）和理查德·斯莫利（Richard Smalley）教授共同獲得了1996年諾貝爾化學(xué)獎。諾貝爾獎的授予，不僅是對一次重要發(fā)現(xiàn)的肯定，也代表著學(xué)界對“碳的新形態(tài)"這一方向的高度認可。[4][5]

為什么足球烯如此特別？

足球烯之所以吸引科學(xué)家，關(guān)鍵在于它兼具了結(jié)構(gòu)美感和功能潛力。首先，它非常穩(wěn)定。C60的封閉籠狀結(jié)構(gòu)沒有懸掛鍵，整體對稱性高，因此在一系列碳團簇中表現(xiàn)出特殊穩(wěn)定性。其次，它具有獨特的電子性質(zhì)。富勒烯中的碳原子整體上是sp2雜化，但又不是平面的石墨，而是彎曲成球殼。正因為這種曲率和電子離域特征，C60既能接受電子，也容易發(fā)生加成反應(yīng)，非常適合做分子電子學(xué)和有機功能材料研究。再者，富勒烯不是只有C60一種。除了C60，還有C70、C80等更大的成員。按照幾何規(guī)律，富勒烯都必須含有12個五邊形，六邊形數(shù)量則隨碳原子數(shù)增加而增多，這就形成了一個豐富的“分子家族"。[2][3]

多種二十面體富勒烯示例【2】

富勒烯真正厲害的地方，在于它不僅是一個漂亮分子，更是一個可被改造的平臺分子。化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，富勒烯表面可以做各種功能化修飾，通過共價或非共價方式，可以在其表面接上不同官能團，調(diào)節(jié)其溶解性、電子結(jié)構(gòu)和生物相容性。這就催生了大量富勒烯衍生物，例如在有機太陽能電池中非常經(jīng)典的PCBM，本質(zhì)上就是以C60為核心進行功能化后的電子受體材料。除此之外，還有內(nèi)嵌富勒烯、富勒烯基復(fù)合材料，以及由其啟發(fā)并推動發(fā)展的碳納米管等新型納米碳材料。[3][6]

今天，足球烯用在哪些地方？

富勒烯及其衍生物的應(yīng)用，已經(jīng)從基礎(chǔ)研究逐步走向?qū)嶋H領(lǐng)域。在能源材料中，富勒烯衍生物被廣泛研究用于有機光伏/太陽能電池，作為優(yōu)良的電子受體和傳輸材料；在生物醫(yī)藥方向，富勒烯因其尺寸小、表面可修飾、具備一定抗氧化特性，被探索用于藥物遞送、抗氧化劑和生物醫(yī)藥材料；在儲能、氫儲存、分子電子學(xué)、超導(dǎo)和傳感等方向，富勒烯也顯示出獨特值。[3]

足球烯的故事之所以迷人，在于它兼具了幾種經(jīng)典元素：有理論預(yù)見，也有實驗偶遇；有結(jié)構(gòu)之美，也有功能之用；有基礎(chǔ)研究的突破，也有材料應(yīng)用的延展。從1985年發(fā)現(xiàn)，到1990年實現(xiàn)宏量制備，再到1996年登上諾貝爾獎殿堂，足球烯只用了短短十余年，就從一個“奇怪的質(zhì)譜峰"成長為納米科學(xué)的標(biāo)志性分子。回頭再看這顆“分子足球"，會發(fā)現(xiàn)它不僅像足球，更像科學(xué)本身：外表簡潔優(yōu)雅，內(nèi)部卻蘊藏著無窮變化。

參考文獻

[1] H. W. Kroto, A. W. Allaf, S. P. Chemical Reviews, 1991, 91, 1213-1235.

[2] W. O. J. Boo, Journal of Chemical Education, 1992, 69(8), 605-609.

[3] R. Bharti, A. Thakur, M. Verma, R. Sharma, N. Sen, Springer Nature, 2024

[4] The Nobel Prize in Chemistry 1996, NobelPrize.org

[5] Press release: The 1996 Nobel Prize in Chemistry, NobelPrize.org

[6] Discovery of Fullerenes National Historic Chemical Landmark, American Chemical Society

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