2025年高考富勒烯C60及其應(yīng)用

　　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(xué)家小澤預(yù)言，自然界中碳元素還應(yīng)該有第三種同素異形體存在。經(jīng)過世界上各國科學(xué)家15年的不懈努力和艱苦探索終于在1985年由美國Rice大學(xué)的Kroto等人在激光汽化石墨實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)含有60個(gè)碳原子的原子簇命名為C60及含有70個(gè)碳原子的原子簇命名為C70，C60及C70均具有籠形結(jié)構(gòu)，在物理及化學(xué)性質(zhì)上可看作三維的芳香化合物，分子立體構(gòu)型屬于D5h點(diǎn)群對稱性。C60中20個(gè)正六邊形和12個(gè)正五邊形構(gòu)成圓球形結(jié)，共有60個(gè)頂點(diǎn)，分別由60個(gè)碳原子所占有，經(jīng)證實(shí)它們屬于碳的第三種同素異形體，命名為富勒烯(Fullerene）．以后又相繼發(fā)現(xiàn)了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540。等純碳組成的分子，它們均屬于富勒烯家族，其中C60的度豐約為50%,由于特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，C60在超導(dǎo)、磁性、光學(xué)、催化、材料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，得到廣泛的應(yīng)用。特別是1990年以來Kratschmer和Huffman等人制備出克量級的C60，使C60的應(yīng)用研究更加全面、活躍。

　　一、超導(dǎo)體

　　C60分子本身是不導(dǎo)電的絕緣體，但當(dāng)堿金屬嵌人C60分子之間的空隙后，C60與堿金屬的系列化合物將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，如K3C60即為超導(dǎo)體，且具有很高的超導(dǎo)臨界溫度。與氧化物超導(dǎo)體比較，C60系列超導(dǎo)體具有完美的三維超導(dǎo)性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點(diǎn)，是一類極具價(jià)值的新型超導(dǎo)材料。

　　二、有機(jī)軟鐵磁體

　　與超導(dǎo)性一佯，鐵磁性是物質(zhì)世界的另一種奇特性質(zhì)。Allemand等人在C60的甲苯溶液中加入過量的強(qiáng)供電子有機(jī)物四(二甲氨基)乙烯TDAE)，得到了C60(TDAE)0.86的黑色微晶沉淀，經(jīng)磁性研究后表明是一種不含金屬的軟鐵磁性材料。居里溫度為16.1K,高于迄今報(bào)道的其它有機(jī)分子鐵磁體的居里溫度。由于有機(jī)鐵磁體在磁性記憶材料中有重要應(yīng)用價(jià)值，因此研究和開發(fā)C60有機(jī)鐵磁體，特別是以廉價(jià)的碳材料制成磁鐵替代價(jià)格昂貴的金屬憋鐵具有非常重要的意義。

　　三、光學(xué)材料

　　由于C60分子中存在的三維高度非定域(電子共軛結(jié)構(gòu)使得它具有良好的光學(xué)及非線性光學(xué)性能。如它的光學(xué)限制性在實(shí)際應(yīng)用中可做為光學(xué)限幅器。C60還具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使其做為新型非線性光學(xué)材料具有重要的研究價(jià)值，有望在光計(jì)算、光記憶、光信號處理及控制等方面有所應(yīng)用。還有人研究了C60化合物的倍頻響應(yīng)及熒光現(xiàn)象，基于C60光電導(dǎo)性能的光電開關(guān)和光學(xué)玻璃已研制成功。C60與花生酸混合制得的C60－花生酸多層LB膜具有光學(xué)累積和記錄效應(yīng)。

　　四、功能高分子材料

　　由于C60特殊籠形結(jié)構(gòu)及功能，將C60做為新型功能基團(tuán)引入高分子體系，得到具有優(yōu)異導(dǎo)電、光學(xué)性質(zhì)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(cè)鏈或與其它高分子進(jìn)行共混，Nagashima等人報(bào)導(dǎo)了首例C60的有機(jī)高分子C60Pdn并從實(shí)驗(yàn)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(bào)道C60/C70的混和物滲入發(fā)光高分子材料聚乙烯咔唑（pvk）中，得到新型高分子光電導(dǎo)體，其光導(dǎo)性能可與某些最好的光導(dǎo)材料相媲美。這種光電導(dǎo)材料在靜電復(fù)印、靜電成像以及光探測等技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。C60摻入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）可成為很有前途的光學(xué)限幅材料。另外，C60摻雜的聚苯乙烯的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)行為也有報(bào)道。

　　五、生物活性材料

　　Nelson等人報(bào)道C60對田鼠表皮具有潛在的腫瘤毒性。Baier等人認(rèn)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(yù)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，而艾滋病研究的關(guān)鍵是有效抑制HIVP的活性。日本科學(xué)家報(bào)道一種水溶性C60羧衍生物在可見光照射下具有抑制毒性細(xì)胞生長和使DNA開裂的性能，為C60衍生物應(yīng)用于光動(dòng)力療法開辟了廣闊的前景。1994年Toniolo等人報(bào)道一種水溶注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(yīng)用，黃文棟等人制得水溶性C60－脂質(zhì)體，發(fā)現(xiàn)其對癌細(xì)胞具有很強(qiáng)的殺傷效應(yīng)。臺灣科學(xué)家報(bào)道多羥基C60衍生物—富勒酵具有吞噬黃嘌呤／黃嘌呤氧化酶產(chǎn)生的超氧陰離子自由基的功效，還對破壞能力很強(qiáng)的羥基自由基具有優(yōu)良的清除作用。利用C60分子的抗輻射性能，將放射性元素置于碳籠內(nèi)注射到癌變部位能提高放射治療的效力并減少副作用。

　　六、其它應(yīng)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(shù)發(fā)展中起重要作用。將鋰原子嵌人碳籠內(nèi)有望制成高效能鋰電池。碳籠內(nèi)嵌人稀土元素銪可望成為新型稀土發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸�，開辟了金剛石的新來源。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(dǎo)體線、分子吸管和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料。C60與((環(huán)糊精、環(huán)芳烴形成的水溶性主客體復(fù)合物將在超分子化學(xué)、仿生化學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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