> 富勒烯C60及其應用

2020-11-22 高考網

　　眾所周知，碳元素有兩種同素異形體－金剛石，石墨。1970年，日本科學家小澤預言，自然界中碳元素還應該有第三種同素異形體存在。經過世界上各國科學家15年的不懈努力和艱苦探索終於在1985年由美國Rice大學的Kroto等人在雷射汽化石墨實驗中首次發現含有60個碳原子的原子簇命名為C60及含有70個碳原子的原子簇命名為C70，C60及C70均具有籠形結構，在物理及化學性質上可看作三維的芳香化合物，分子立體構型屬於D5h點群對稱性。C60中20個正六邊形和12個正五邊形構成圓球形結，共有60個頂點，分別由60個碳原子所佔有，經證實它們屬於碳的第三種同素異形體，命名為富勒烯(Fullerene）．以後又相繼發現了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540。等純碳組成的分子，它們均屬於富勒烯家族，其中C60的度豐約為50%,由於特殊的結構和性質，C60在超導、磁性、光學、催化、材料及生物等方面表現出優異的性能，得到廣泛的應用。特別是1990年以來Kratschmer和Huffman等人製備出克量級的C60，使C60的應用研究更加全面、活躍。

　　一、超導體

　　C60分子本身是不導電的絕緣體，但當鹼金屬嵌人C60分子之間的空隙後，C60與鹼金屬的系列化合物將轉變為超導體，如K3C60即為超導體，且具有很高的超導臨界溫度。與氧化物超導體比較，C60系列超導體具有完美的三維超導性，電流密度大，穩定性高，易於展成線材等優點，是一類極具價值的新型超導材料。

　　二、有機軟鐵磁體

　　與超導性一佯，鐵磁性是物質世界的另一種奇特性質。Allemand等人在C60的甲苯溶液中加入過量的強供電子有機物四(二甲氨基)乙烯TDAE)，得到了C60(TDAE)0.86的黑色微晶沉澱，經磁性研究後表明是一種不含金屬的軟鐵磁性材料。居裡溫度為16.1K,高於迄今報導的其它有機分子鐵磁體的居裡溫度。由於有機鐵磁體在磁性記憶材料中有重要應用價值，因此研究和開發C60有機鐵磁體，特別是以廉價的碳材料製成磁鐵替代價格昂貴的金屬憋鐵具有非常重要的意義。

　　三、光學材料

　　由於C60分子中存在的三維高度非定域(電子共軛結構使得它具有良好的光學及非線性光學性能。如它的光學限制性在實際應用中可做為光學限幅器。C60還具有較大的非線性光學係數和高穩定性等特點，使其做為新型非線性光學材料具有重要的研究價值，有望在光計算、光記憶、光信號處理及控制等方面有所應用。還有人研究了C60化合物的倍頻響應及螢光現象，基於C60光電導性能的光電開關和光學玻璃已研製成功。C60與花生酸混合製得的C60－花生酸多層LB膜具有光學累積和記錄效應。

　　四、功能高分子材料

　　由於C60特殊籠形結構及功能，將C60做為新型功能基團引入高分子體系，得到具有優異導電、光學性質的新型功能高分子材料。從原則上講，C60可以引人高分子的主鏈、側鏈或與其它高分子進行共混，Nagashima等人報導了首例C60的有機高分子C60Pdn並從實驗和理論上研究了它具有的催化二苯乙炔加氫的性能，Y.Wany報導C60/C70的混和物滲入發光高分子材料聚乙烯咔唑（pvk）中，得到新型高分子光電導體，其光導性能可與某些最好的光導材料相媲美。這種光電導材料在靜電複印、靜電成像以及光探測等技術中有廣泛應用。C60摻入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可成為很有前途的光學限幅材料。另外，C60摻雜的聚苯乙烯的光學雙穩態行為也有報導。

　　五、生物活性材料

　　Nelson等人報導C60對田鼠表皮具有潛在的腫瘤毒性。Baier等人認為C60與超氧陰離子之間存在相互作用。1993年Friedman等人從理論上預測某些C60衍生物將具有抑制人體免疫缺損蛋白酶HIVP活性的功效，而愛滋病研究的關鍵是有效抑制HIVP的活性。日本科學家報導一種水溶性C60羧衍生物在可見光照射下具有抑制毒性細胞生長和使DNA開裂的性能，為C60衍生物應用於光動力療法開闢了廣闊的前景。1994年Toniolo等人報導一種水溶注C60—多肽衍生物，可能在人類單核白血球趨藥性和抑制HIV-1蛋白酶兩方面具有潛在的應用，黃文棟等人製得水溶性C60－脂質體，發現其對癌細胞具有很強的殺傷效應。臺灣科學家報導多羥基C60衍生物—富勒酵具有吞噬黃嘌呤／黃嘌呤氧化酶產生的超氧陰離子自由基的功效，還對破壞能力很強的羥基自由基具有優良的清除作用。利用C60分子的抗輻射性能，將放射性元素置於碳籠內注射到癌變部位能提高放射治療的效力並減少副作用。

　　六、其它應用

　　C60的衍生物C60F60俗稱「特氟隆」可做為「分子滾珠」和「分子潤滑劑」在高技術發展中起重要作用。將鋰原子嵌人碳籠內有望製成高效能鋰電池。碳籠內嵌人稀土元素銪可望成為新型稀土發光材料。水溶性釓的C60衍生物有望做為新型核磁造影劑．高壓下C60可轉變為金剛石，開闢了金剛石的新來源。C60及其衍生物可能成為新型催化劑和新型納米級的分子導體線、分子吸管和晶須增強複合材料。C60與((環糊精、環芳烴形成的水溶性主客體複合物將在超分子化學、仿生化學領域發揮重要作用。

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