富勒烯是一類球形或橢球形全碳籠分子的統稱，是繼金剛石、石墨和無定形碳之後，人們發現的碳的另一種同素異形體。其中，以含60個碳原子的C60研究得最為充分，也最具有代表性。C60於1985年被正式發現，自此開啟了它精彩絕倫的一生。下面，就請隨我一起，走近C60及其家族，去感受一下它們的傳奇吧。在我們所生活的這顆藍色星球上，牽動人類神經卻懸而未決的難題之一恐怕就是我們從哪裡來。如果說達爾文的進化論從某種程度上解決了這一問題，那麼從更寬泛的視角來看，生命的起源或許更加棘手，也更加令人著迷。由於我們的星球在茫茫星海中僅僅是普通一員，而人類存在的時間與地球生命記憶相比又實在是太短，科學家們意識到如果囿於此，這一問題恐很難回答，於是，視線開始轉向浩瀚宇宙。很早以前，天體物理學家就發現富碳恆星的大氣層及慧尾中有碳原子簇存在的跡象。這一發現令人興奮不已，原因非常簡單: 既然碳元素是地球上生命有機體的主導元素，那麼宇宙中碳原子簇的出現，是否能夠為生命的起源提供關鍵線索？富勒烯就是在這樣的背景下華麗登場的。1947年，Hahm等用質譜法證實了原子數小於15的碳原子簇的存在；1965年前後，美國橡樹林國家實驗室發現了具有光澤的亮黑色物質，化學式接近PbC20；1984年，Rohlfing等人用雷射氣化/氦氣脈衝膨脹法從固態石墨產生碳原子簇，並用紫外雷射電離結合飛行時間質譜來檢測原子簇的存在；二十世紀七十年代，英國化學家Kroto及研究小組一直在研究星際空間的塵埃物質，結果在分析富碳星際塵埃時偶然發現了一類僅由碳、氫、氮組成的分子。他們對其進行了深入研究，但始終找不到一種合適的原子成簇技術。1984年，Kroto從英國來到美國拜見Curl，在他的建議下參觀了Smalley的實驗室。當時Smalley正帶領一個研究小組對原子束的性質進行研究。當Kroto觀看了在氦氣流中雷射蒸發碳化矽的實驗後，想到這一技術可應用於對碳原子的研究。1985年，Kroto和Smalley合作，他們通過增大He的分壓，延長成簇時間，優化實驗條件，終於成功檢測到了C60[1]。宇宙、生命起源，最牽動人類神經的兩個方面全部涉足，富勒烯的貴族氣質，自然天成。很多時候，你會發現大自然的鬼斧神工與人類的構思不謀而合。或者在大自然面前，人類很多時候也許僅僅是個小學生卻渾然未知。C60發現之初，它的神秘面紗尚未揭開。Kroto等受建築師富勒圓形穹頂設計的啟發，覺得C60應該具有中空的籠形結構。事實證明的確如此。富勒本人或許並沒有想過未來將有一個納米世界的分子撞車自己的得意建築，但他定是冥冥中受了大自然的指使，在不同的尺度選擇了相同的設計。同樣有趣的是，C60的結構還完美撞車了足球，因此得一綽號曰「足球烯」[2]。一個分子不靠其實力單靠顏值便能贏得如此關注，也難怪1991年世界權威雜誌Science將其評為明星分子了。與明星的成名總能帶來無數模仿者和粉絲一樣，C60的出現，掀起了一股碳納米材料的研究熱潮。人們敏感地意識到，這種無處不在且被使用了上千年的元素，還能迸發出新的、更大的活力。富勒烯家族的其它成員被很快發現。但不論原子數怎麼變，分子中五元環的數目卻始終如一，不容改變。就像一個龐大的人類家族，不論如何開枝散葉，始終有姓氏作為紐帶將大家串聯一樣。不僅如此，富勒烯的近親碳納米管、石墨烯等也相繼被發現。碳家族在自然科學中的地位，從來沒有像今天這樣顯赫，其中富勒烯功不可沒。C60誕生之初，由於缺乏宏量製備工藝，普通研究者對此基本是「幸福生活，全靠想」。1990年，Huffmann和Krätschmer等人利用等離子體電弧使石墨棒蒸發，發明了宏觀量製備C60的方法[3]。實驗時先將放電室抽真空，然後通入惰性氣體保護。當高純石墨電極靠近石墨電極進行電弧放電時，石墨電極蒸發產生的大量顆粒狀菸灰在氣流作用下沉積到水冷反應器內壁上，然後將菸灰收集即可。此方法產量高、設備簡單、安全可靠，造價低。然而，此時C60的價格仍然高得令人咂舌。1995年，美國完成了10克級C60製備工藝的研發；2005年，日本建成了首條噸級C60生產線。在產業界人士的不懈努力下，每克C60的價格已從最初的幾萬元降至幾百元，C60終於完成了陽春白雪到下裡巴人的轉變。宏量製備方法的完成使對C60的廣泛研究成為可能。在這之後，相關研究工作突飛猛進，C60身上蘊含的秘密被一一揭開。從超導體，到有機太陽能電池，再到人工光合成，眾多科技前沿中都發現了C60的身影，每一次發現都令人振奮。在化妝品方面，C60優異的自由基清除能力使其成為極具潛力的抗氧化添加劑[4]；而抑制愛滋病蛋白酶、光誘導剪切DNA、基因轉染、抗腫瘤、抗神經退行性疾病等活性的發現，開啟了C60生物醫藥應用的大門。C60豐富的物理化學特性和生物學活性為其帶來了巨大榮譽，並使其發現者最終摘取了1996年的諾貝爾化學獎。所謂經濟基礎決定上層建築，科學研究作為國民經濟和社會發展的一個分支，從某種程度上來說最能反映一個國家的綜合實力。華夏五千年歷史光輝燦爛，卻在近代吃了大虧。統治階級的目光短淺導致國家積貧積弱，近代科學的引擎幾乎全部與我華夏無緣。這一局面，直至今日仍未徹底改變。C60出現的時期，正趕上我國重啟國門，一切欣欣向榮之際。在這一新興研究領域，我們取得了一系列可喜進展，富勒烯研究和產業之花，已深深紮根華夏大地。但應看到，與歐美強國相比我們還有不小差距。典型的，富勒烯分子中含有多個碳碳雙鍵，與維生素C、胡蘿蔔素等相比具有更強的抗氧化能力，可用作化妝品添加劑。富勒烯化妝品已有多年研究歷史，自1994年歐萊雅公布第一個專利以來，富勒烯化妝品在全球範圍內獲得了快速發展[5]，尤以產業化程度較好的日本為最。在國內，產業鏈相對滯後，第一家富勒烯原料工廠於2012年成立，且產能有限。受此影響，富勒烯化妝品跟國外相比，還存在一定差距。目前市場上水溶性富勒烯化妝品原料主要存在兩種形式：物理包覆類粘稠原液和化學修飾類乾粉。前者在運輸、儲存等方面存在諸多不便，且富勒烯的長期穩定性難以保證；而後者目前還未列入我國化妝品原料目錄[6]。因此，開發新型富勒烯化妝品原料，是一項亟需解決的任務，對推動我國富勒烯化妝品行業發展，具有重要意義。當前，國家正以前所未有的力度，鼓勵、提倡科技創新。富勒烯的發展也迎來了春天。2018年8月，第三屆國際富勒烯科學研討會在吉林通化召開，各界科學家齊聚一堂，共商富勒烯發展大計。會議期間成立了中國富勒烯應用產業創新聯盟，極大地推動了富勒烯的科學研究和應用開發。時不我待，鍾情於富勒烯的我們，沒有理由不精神飽滿，砥礪前行。作為國內富勒烯研究隊伍的一員，山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室富勒烯研發團隊長期以來致力於富勒烯的基礎研究，從2004年起，先後承擔四項國家自然科學基金課題，在物理化學、材料化學等領域主流雜誌發表多篇研究論文。近年來，順應富勒烯科學發展的內在需求，山東大學成立了校級化妝品技術研究中心，富勒烯研發團隊在探索性研究的基礎上，開展了應用導向型富勒烯產品研發，以物理摻雜和化學修飾為途徑，結合不同提純工藝，獲得了多種富勒烯高效抗衰添加劑；同時，與業內人士密切合作，努力拓寬化妝品原料目錄中富勒烯的種類。古人云：路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。所謂「學海無涯舟自渡，好景在前快加鞭」。我們相信，心若在，夢就在。富勒烯人的共同努力，一定能贏得一個光明的未來！[1] Kroto, H. W.; Heath, J.; O』Brien, S. C.; Curl, R. F.; Smalley, R. E. Nature 1985, 318, 162.
[2] 吉姆∙巴戈特. 完美的對稱-富勒烯的意外發現. 李濤, 曹志良, 譯. 上海:上海科技教育出版社, 1999.[3] Krätschmer, W.; Lamb, L. D.; Fostiropoulos, K.; Huffman, D. R. Nature 1990, 347, 354.[4] Krusic, P. J.; Wasserman, E.; Keizer, P. N.; Morton, J. R.; Preston, K. F. Science 1991, 254, 1183.[5] MD, S. Z. M.; Nafisia, S.; Maibach, H. I. Nanomedicine: NBM 2017, 13, 1071.
[6] 國家食品藥品監督管理總局關於發布已使用化妝品原料名稱目錄（2015版）的通告(2015年第105號). 已使用化妝品原料名稱目錄. (2015-12-23)[2019-08-03]. http://samr.cfda.gov.cn/WS01/CL1870/140365.htmldoi:10.3866/PKU.DXHX201907015
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來源：高分子科學前沿
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