價值連城的“足球烯”，美妙絕倫，性能優異，應用前景廣闊！
在“世界盃”即將到來之際，人們對世界足球頂尖級賽事充滿期待。
而被譽為“足球盛宴”的“足球烯”，作為20世紀80年代的重大科學發現之一，同樣值得期待。
1996年，美英科學家克羅託等三人發現的“足球烯”榮獲了諾貝爾化學獎。那麼，“足球烯”是個什麼“寶貝”？它又是如何與科學家“邂逅”的呢？它的應用前景又是怎樣的呢？
克羅託博士的“足球烯”模型（網絡圖）
“足球烯”與科學家的意外“邂逅”
碳作為一個大眾元素，普通得不能再普通了。在常溫下，碳元素很不活潑，也沒有華麗的外表。但這並不能說明碳元素不重要，因為樸素不等於無用！
1985年的秋天，對於全人類來說都是一個激動人心的時刻。美英科學家科爾、克羅託和斯莫利經過一週緊張的工作之後，十分意外地發現了元素碳的一種新的同素異形體——“足球烯”。
“足球烯”是由60個碳原子構成的空心籠狀物質，因其在外形上酷似一個足球而得名。原來，“足球烯”分子是一種由60個碳原子結合形成的穩定分子，它具有60個頂點和32個面，其中12個為正五邊形，20個為正六邊形，與足球的結構非常相似，稱其為“足球烯”也就不足為怪了。
足球與“足球烯”（網絡圖）
其實，“足球烯”只是C60的一個通俗叫法，那麼它的學名叫什麼呢？為了給C60 起一個響噹噹的名字，它的發現者可是沒少費心血哦！
美英科學家克羅託等三人發現美國著名建築大師巴克明斯特•富勒的網格半球體穹頂結構與這個“納米足球”十分相像。因此就根據巴克明斯特•富勒的名字，把C60命名為“富勒烯”，又名“巴基球”或“巴克球”。
富勒的建築傑作（網絡圖）
（他發明的網格穹頂為一種由四面體框架構成的自我支撐的半球體。）
“富勒烯”家族還有許多成員，它們都是20世紀80年代的重大科學發現之一，具有十分重要的科學意義。這些神奇的全碳分子及其衍生物質，由於具有特殊的組成結構而顯示出許多新穎奇特的物理化學性質。
“足球烯”家族成員（網絡圖）
本是同碳生，緣何各不同？
“足球烯”作為一種令世界震撼的“新形態碳”，極大地豐富了人們對於碳元素的認識。然而，為什麼同樣是由碳原子組成的物質，有的硬如頑石，有的軟如泥塊，還有的美麗無比……
這裡是足球的世界（網絡圖）（《富勒烯的物理及化學》封面）
科學家已經發現，由碳元素組成的物質主要有金剛石、石墨、C60（足球烯）等單質。它們之所以具有如此大的性能差異，原來是由於它們具有不同原子模型的緣故。
純淨的金剛石是無色透明的正八面體形狀的固體，現在已經發現它是天然存在的最硬的物質。 原來，金剛石的原子是交錯排列的，每一個碳原子都緊密地與其它4個碳原子直接連接，從而形成了一個牢固的立體結構，因而它就顯得十分堅硬了。
金剛石結構示意圖（網絡圖）
金剛石經過琢磨後可能閃爍出耀眼的光芒，因此可以用來製作價格昂貴的鑽石裝飾品。同時，金剛石還可用來製作鑽頭、鑽鑿巖石、裁割玻璃以及切割大理石等。
石墨是一種深灰色的具有金屬光澤而不透明的細磷片狀固體，就目前所知它是自然界中最軟的礦石。原來石墨中的碳原子是一層一層排列的，雖然每一層的碳原子結合得非常緊密，但層與層之間的結合力卻非常地弱。
石墨結構示意圖（網絡圖）
因此，石墨在層間非常容易發生斷裂，從而表現出較軟的性質，如具有滑膩感、熔點較高、容易導電等優良的性能，常可用乾電池的電極或高溫作業下的潤滑劑。
儘管“富勒烯”與金剛石、石墨同屬於碳元素組成的單質，但“富勒烯”特殊的結構特點決定了其具有特殊的物理化學性能。如C60球形剛性分子具有很高的抗壓強度，C60可以溶解於苯等非極性溶劑中，鹼金屬摻雜的C60具有良好的超導性，而過渡金屬C60化合物則表現出較好的氧化還原性能。
“足球烯”模型（網絡圖）
C60具有穩定的分子結構，但又具有一定的反應活性。據悉， C60能夠進行加成反應、配位反應、周環反應等。並且，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。
據悉，在高壓條件下C60可以轉變為金剛石，這無疑於開闢了金剛石合成的新途徑。同時，C60的中空球形結構使其在內外表面都可以進行化學反應，從而得到具有特殊功能的C60衍生物。
“足球烯”續寫碳素傳奇
碳元素作為地球宇宙微粒的主要構成元素之一，在地球生命的演化過程中發揮了極其重要的作用。在地球上，碳是一切生命的基礎。地球上已知的生物大多數為碳基生物，即以碳元素為有機物質基礎的生物。
碳元素是自然界中存在形式最為複雜的一種元素，其特有的共價鍵結合形式成就了種類繁多、功能奇特的有機物。由於碳具有很高的成鍵能力，並且具有許多獨特的性能，使其有資格成為太陽能的主要化學能源載體。
科學家認為，氨基酸和核苷酸是生命的基本單元，而氨基酸和核苷酸又都是以碳鏈為骨架構造而成的。伴隨著碳鏈的延長，氨基酸和核苷酸則進一步演變成為了蛋白質和核酸，這是原始生命誕生的基礎，也是人類誕生必然經歷的過程。
科學家認為，富勒烯家族的其它成員也極有可能具有超導性。如電子摻雜的C60最高轉換溫度為40K，而電子摻雜的C70的轉換溫度為7K。據悉，英國的研究者正在開發能用於原子鐘的內嵌富勒烯，這是目前世界上最為昂貴的一種新材料，每克的價值大約為1.45億美元。當“富勒烯”內嵌氮原子時，由於它們電子自旋的壽命非常長，因此具有改變我們計時方式的潛力，並有望把原子鐘安裝在手機內的芯片上。
“足球烯”變成了“球形容器”（網絡圖）
科學家正在嘗試打開足球烯的“球門”，從而把某些原子或離子攙雜進去，這樣“足球烯”就可以成為一個特殊的球形容器了，並有望在宇宙化學、超導領域、材料科學以及醫學領域獲得非凡應用。
碳納米管也是一種典型的“富勒烯”，是一種具有管狀結構的碳原子簇。根據理論計算，碳納米管纖維的強度為鋼的100倍，而質量卻只有鋼的七分之一。
碳納米管結構示意圖（網絡圖）
碳納米管還具有極強的儲氣能力，可以應用於燃料電池的儲氫裝置上。如果把碳納米管制作成碳纖維，那麼一定會是一種十分理想的輕質高強度材料。
“富勒烯”原子團簇及其衍生物有望在生命化學、有機化學、材料化學、無機化學、高分子科學、催化化學等許多領域獲得重要應用，並深刻影響人類社會的許多方面。
有科學家認為，富勒烯還將為研究抗癌藥物提供潛在的線索，並在超導體、耐磨潤滑材料、催化劑載體、高能電池材料、醫學影像劑以及抑制病毒等方面具有廣闊的應用前景。
參考文獻
【1】現代物理知識 蕭如珀 楊信男 譯.《1985年9月1至11日：富勒烯的發現》，中科院高能所，2017-08-28。
【3】新材料在線.《10億1克的富勒烯到底是什麼樣子的？》，搜狐網，2016-08-15。
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