英国牛津大学的科学家们曾经宣称,他们的一间衍生实验室正在生产内嵌富勒烯,而且他们已经以每200微克3.2万美元的价格售出了他们的第一份样品。这个重量只有一朵雪花的1/15,或者说人类一根头发的1/3。 目前全世界只有一家实验室在生产它。 那么问题就来了,既然这东西这么值钱,为啥没什么人去生产呢?还有这种内嵌富勒烯到底是怎么回事,它又有何用途让它能够如此值钱? 1、内嵌富勒烯到底是什么? 很多人可能从“烯”字就已经知道它和碳有关系,事实也是如此,富勒烯就是一种碳的同素异形体,而“内嵌“则表示的是这个同素异形体内部还存在一些原子或者分子。 碳是目前已知最“通用的”元素,它允许碳原子以各种各样不同形式排列,然后形成各种同素异形体。 我们常见的比如有钻石——这可能是最受欢迎的碳同素异形体,其碳原子以晶格形式存在,然后碳分子以四面体角键合,形成非常牢固的结构。 再比如石墨,这是最常用的碳同素异形体,常见于铅笔芯,其碳原子以片状或层状六边形镶嵌堆叠并粘合在一起的形式存在。 另外比较出名的还有石墨烯——碳原子以单片石墨的形式存在,我们今天的主角富勒烯正是来自于石墨烯。 但与石墨烯不同的是,富勒烯是将单片碳原子形式转变成了一个“球状”,每个分子由60个碳原子组成,而这60个原子组成了20个六边形,以及在六边形中散布着12个5边形。 不知道你看到富勒烯的结构想到了什么,总之它的命名是按照测地圆顶的推广者巴克明斯特·富勒(Buckminster Fuller)的名字命名的。 富勒烯的内部是空的,所以就有了内嵌的概念,简单地说就是往里面填入其它原子或者分子等更小的微粒,这样就变成了内嵌富勒烯。 内嵌富勒烯分子几乎违反了化学键合的普通定律,因为内部的原子或者分子与富勒烯的关系就像是容器和容物的关系,不存在化学键合。 在所有内嵌富勒烯中,最特别的是 N@C60(xx@C60就是表示内嵌富勒烯的,@表示xx在富勒烯内部,N@C60就是指富勒烯内部是1个氮原子),我们前面说到的最贵成交材料正是这个。 内嵌富勒烯其实很早就出现了,但是最初它内嵌的基本都是非常惰性的物质——比如氦、氖等,内嵌一个像氮原子这样“活泼”的还是刚刚出现的。 事实证明,由于氮电子拥有较长自旋寿命,它是制造精确原子钟的关键,而N@C60可能成为未来原子钟的关键材料。 2、为什么内嵌富勒烯那么贵? 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。 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。 3、为什么目前只有一个实验室在生产它呢? 其实,现在已知有几种方法可以合成N@C60,这不是什么秘密,有许多文献都写的很清楚,但是所有这些方法都需要极端条件,难以生产。 这是因为推动氮原子通过碳笼在热力学上是非常不利的,我看到这个团队在回复采访的时候是这样形容的:在化学上要把氮推入富勒烯等同于将水推上山。 不仅难以生产,而且生产过程中失败的概率远高于成功,这意味着需要提纯,而提纯的难度也异常大。 现在唯一生产N@C60的团队是牛津的Designer Carbon Materials,他们在牛津大学的实验室内完成制造。 制造过程很透明,他们将富勒烯在真空室中蒸发,制造一个 C60 薄膜,然后让氮离子喷射到薄膜表面。 在这个过程中,其中一些氮离子就会被捕获并进入C60薄膜中,形成所需的N@C60分子,但是效率非常低——每得到一个 N@C60 分子都将消耗大约10000个C60分子(氮原子停留在其表面)。 而要让这一个N@C60分子从10000个无氮 C60 分子中提取出来非常困难,因为C60和 N@C60的化学性质几乎相同,目前主要是通过一种被称为高压液相色谱的技术将两者分离。 总得来说,生产N@C60是非常困难的,它的实际成本非常高,这是它贵的原因所在,而不是因为它的用途有多大。 其实,我们从N@C60最初的成交是用于研究,而不是商用,也能知道它其实是因为成本高才卖得很贵的,不会有太多利润空间。 因为你卖太贵,很难吸引别人买去研究,别人不去研究,你就没有商用的机会。 不仅利润空间有限,而且现在N@C60作为原子钟也没有得到更大的应用,只是处在研发阶段,还有一些问题需要解决。 换句话说就是市场到底会是什么反馈并不是很清楚,所以没人去做是正常的。 另外,这东西的成本贵有一方面自然是它前期的投入会很高,很少有人愿意会为一个未知的领域投入太多。 但是,只要这东西真的有市场,立马就会有很多资金流入去研究它,到时候价格被打下来是肯定的。 原文链接:https://www.xianjichina.com/special/detail_529681.html 来源:贤集网 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。 |