富勒烯C60及其应用

众所周知，碳元素有两种同素异形体－金刚石，石墨。1970年，日本科学家小泽预言，自然界中碳元素还应该有第三种同素异形体存在。经过世界上各国科学家15年的不懈努力和艰苦探索终于在1985年由美国Rice大学的Kroto等人在激光汽化石墨实验中首次发现含有60个碳原子的原子簇命名为C60及含有70个碳原子的原子簇命名为C70，C60及C70均具有笼形结构，在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物，分子立体构型属于D5h点群对称性。C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯(Fullerene）．以后又相继发现了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540。等纯碳组成的分子，它们均属于富勒烯家族，其中C60的度丰约为50%,由于特殊的结构和性质，C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用。特别是1990年以来Kratschmer和Huffman等人制备出克量级的C60，使C60的应用研究更加全面、活跃。
　　
　　一、超导体
　　
　　C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。
　　
　　二、有机软铁磁体
　　
　　与超导性一佯，铁磁性是物质世界的另一种奇特性质。Allemand等人在C60的甲苯溶液中加入过量的强供电子有机物四(二甲氨基)乙烯(TDAE)，得到了C60(TDAE)0.86的黑色微晶沉淀，经磁性研究后表明是一种不含金属的软铁磁性材料。居里温度为16.1K,高于迄今报道的其它有机分子铁磁体的居里温度。由于有机铁磁体在磁性记忆材料中有重要应用价值，因此研究和开发C60有机铁磁体，
　　
　　特别是以廉价的碳材料制成磁铁替代价格昂贵的金属憋铁具有非常重要的意义。
　　
　　三、光学材料
　　
　　由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。如它的光学限制性在实际应用中可做为光学限幅器。C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点，使其做为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。还有人研究了C60化合物的倍频响应及荧光现象，基于C60光电导性能的光电开关和光学玻璃已研制成功。C60与花生酸混合制得的C60－花生酸多层LB膜具有光学累积和记录效应。
　　
　　四、功能高分子材料
　　
　　由于C60特殊笼形结构及功能，将C60做为新型功能基团引入高分子体系，得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。从原则上讲，C60可以引人高分子的主链、侧链或与其它高分子进行共混，Nagashima等人报导了首例C60的有机高分子C60Pdn并从实验和理论上研究了它具有的催化二苯乙炔加氢的性能，Y.Wany报道C60/C70的混和物渗入发光高分子材料聚乙烯咔唑（pvk）中，
　　
　　得到新型高分子光电导体，其光导性能可与某些最好的光导材料相媲美。这种光电导材料在静电复印、静电成像以及光探测等技术中有广泛应用。C60掺入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可成为很有前途的光学限幅材料。另外，C60掺杂的聚苯乙烯的光学双稳态行为也有报道。
　　
　　五、生物活性材料
　　
　　Nelson等人报道C60对田鼠表皮具有潜在的肿瘤毒性。Baier等人认为C60与超氧阴离子之间存在相互作用。1993年Friedman等人从理论上预测某些C60衍生物将具有抑制人体免疫缺损蛋白酶HIVP活性的功效，而研究的关键是有效抑制HIVP的活性。日本科学家报道一种水溶性C60羧衍生物在可见光照射下具有抑制毒性细胞生长和使DNA开裂的性能，为C60衍生物应用于光动
　　
　　力疗法开辟了广阔的前景。1994年Toniolo等人报道一种水溶注C60—多肽衍生物，可能在人类单核白血球趋药性和抑制HIV-1蛋白酶两方面具有潜在的应用，黄文栋等人制得水溶性C60－脂质体，发现其对癌细胞具有很强的杀伤效应。台湾科学家报道多羟基C60衍生物—富勒酵具有吞噬黄嘌呤／黄嘌呤氧化酶产生的超氧阴离子自由基的功效，还对破坏能力很强的羟基自由基具有优良的清除作用。利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳
　　
　　笼内注射到癌变部位能提高放射治疗的效力并减少副作用。
　　
　　六、其它应用
　　
　　C60的衍生物C60F60俗称“特氟隆”可做为“分子滚珠”和“分子润滑剂”在高技术发展中起重要作用。将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。碳笼内嵌人稀土元素铕可望成为新型稀土发光材料。水溶性钆的C60衍生物有望做为新型核磁造影剂．高压下C60可转变为金刚石，开辟了金刚石的新来源。C60及
　　
　　其衍生物可能成为新型催化剂和新型纳米级的分子导体线、分子吸管和晶须增强复合材料。C60与((环糊精、环芳烃形成的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用。