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石墨烯之后的新材料 “内嵌富勒烯”凭啥一克一亿英镑

近日,英国《每日电讯报》网站报道,牛津大学的碳材料设计公司在生产“内嵌富勒烯”材料。该公司以2.2万英镑卖出了第一批200微克的“内嵌富勒烯”材料,相当于每克价值1亿英镑。有媒体将之称为世界最贵材料。

“内嵌富勒烯”材料为什么这么贵?

富勒烯是在石墨、钻石之后被发现的单质碳的第三种同素异形体。1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托和美国科学家理查德·斯莫利发现了富勒烯C60,并提出了其笼型结构;1990年,德国科学家首次合成了克级C60分子。那么牛津大学科学家生产的“内嵌富勒烯”材料有何独特之处,为什么这么贵?

中国科学院化学研究所研究员、科技部纳米重大科学研究计划首席科学家王春儒解释,内嵌有氮原子的内嵌富勒烯生产难、分离难、保存难,所以才特别昂贵。这种分子生产难度非常大,一般是在室温下用氮离子轰击C60的方法制得的,大多数氮离子或者击不破C60碳笼,或者把碳笼打碎,只有极少数能量合适,轰击角度正好的氮原子才能够击破碳笼,刚好耗尽氮离子能量,而后碳笼又自己修复好,才能得到氮内嵌富勒烯;而把这生产出来的不到万分之一的氮内嵌富勒烯从其他C60中分离出来并纯化,也是一个极其艰巨的任务。最后,内嵌有氮原子的富勒烯不太稳定,保存起来也非常困难。

“一个单个的氮原子非常容易活泼,如果没有富勒烯C60这个碳笼对他进行保护,瞬间就会与其他物质反应,所以是一个极其不稳定的自由基。”王春儒说,“将氮原子放进富勒烯碳笼里面之后,如果没有外界的打扰,它就会长期保持稳定;而如果一旦受到光、热等因素的影响,它就会从笼子里跑掉,所以保存氮内嵌富勒烯必须避光和低温。”

或将开启手机导航革命

牛津大学碳材料设计公司创始人、纳米材料科学家基里亚克斯·波尔菲拉基斯博士说:“内嵌富勒烯材料将被用来制造小型便携式原子钟。想象一下可以随身携带在智能手机里的微型原子钟,这是下一场手机革命。”

事实上,他所说的革命应该是手机导航的革命。“据我理解,他所谓的手机革命实际上是指该种材料用于手机导航定位的功能,它能够提高手机定位精度,用于手机高精度定位。” 王春儒说,“导航定位与时间的精度密切相关。基里亚克斯·波尔菲拉基斯博士的意思是将高精度的氮内嵌富勒烯原子钟内嵌到手机里面,可能会将手机的GPS导航精确到1毫米,如果真的能够实现,确实称得上是手机导航的革命。”

应用领域尚待开发

据王春儒介绍,由于这种氮内嵌富勒烯材料如此昂贵,现在能应用的领域其实也很有限,必须是不可替代的应用才能够体现其价值。现在能想到的最主要的应用就是高精度定位,在其他领域很难想象的到能将这种材料用于大规模应用。

“其实十几年前,欧洲国家就曾经投入大量资金用于这种内嵌富勒烯材料的制备与分离,那时主要是用于量子计算机的研制,但是主要因为这种材料特别难制备和稳定性较差,所以一直没有付诸实用。” 王春儒说,“英国科学家研发的氮内嵌富勒烯材料能够制作高精度的原子钟,理论上是有可能的。但是我认为这也不是短时间内能够实现的技术,可能还需要很长一段时间的发展,比如如何克服这种材料怕光怕热的特性,在原子钟的制备和使用中一直保持材料的稳定,至关重要。”

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