富勒烯：从基础到应用

富勒烯与我们熟知的金刚石和石墨一样全都是由碳原子组成，偶数个碳原子（n >20且≠22）可形成含五元碳环和六元碳环的闭合笼状结构，构成富勒烯的庞大家族（图1）。富勒烯这一命名源于美国著名的建筑师理查德·巴克明斯特·富勒（1895~1983），只因富勒烯的笼状结构酷似富勒设计的圆形穹顶。

图1 富勒烯家族

富勒烯的典型代表C60具有完美对称的足球状纳米结构，曾被Science 期刊评为明星分子，被业界誉为“纳米王子”。这是上个世纪80年代的最重要发现之一，富勒烯的发现者斯莫利、克罗特和科尔也因此共同获得了1996年的诺贝尔化学奖（图2）。

图2 富勒烯的发现者们获得1996年诺贝尔化学奖

其实，富勒烯在宇宙中至少已经存在数十亿年了，且分布极广，不论是在遥远太空红巨星向外喷射的含碳颗粒里，还是在地球深处的化石岩层中，亦或在人们日常三餐的炊烟和祭祀庆典的烛烟中，都能寻到富勒烯的印迹，也许它就是苍穹赐予我们的宝藏（图3），只是我们还没有完全发现它的魅力。

图3 2010年在星际尘埃中发现的富勒烯

在跨越世纪的这三十多年，富勒烯开创了前所未有的发展纪元，将人们带进了笼状结构的碳团簇世界，通过富勒烯的研究又发现了一维碳纳米管结构，直接带动了上世纪末以来如火如荼的纳米科技研究。回顾富勒烯科学的研究，从发现初期在气相中的痕量观察，到实现宏量合成后的物质探究，历经了从结构到性能的发掘，现正迈向实际的应用，进入到大规模开发利用的前夜（图4）。

图4 富勒烯广阔的应用前景

我国是较早参与富勒烯研究的国家，在一波又一波面向富勒烯的研究热潮中，几乎所有重要方向都有中国学者的贡献，尤其在新型富勒烯的稳定化和内嵌富勒烯的特殊性能及应用开拓等方面，我国学者已逐步进入领跑地位。在我国云南煤岩中也发现了富勒烯的天然存在。然而，与我国富勒烯基础和应用不相称的是，迄今尚缺一本系统介绍富勒烯的中文书籍，《富勒烯：从基础到应用》一书就是在这一背景下推出发行的。该书次用中文全面介绍了富勒烯的发现历程、宏量制备、笼状结构、理化特性及其应用领域，重现了过去三十五年谱写的富勒烯精彩篇章。