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一克價值過億，內嵌富勒烯憑什么這么貴？

文章來源：賢集網更新時間：2024-01-03 15:12:39

英國牛津大學的科學家們曾經宣稱，他們的一間衍生實驗室正在生產內嵌富勒烯，而且他們已經以每200微克3.2萬美元的價格售出了他們的第一份樣品。這個重量只有一朵雪花的1/15，或者說人類一根頭發的1/3。

目前全世界只有一家實驗室在生產它。

那么問題就來了，既然這東西這么值錢，為啥沒什么人去生產呢？還有這種內嵌富勒烯到底是怎么回事，它又有何用途讓它能夠如此值錢？

1、內嵌富勒烯到底是什么？

很多人可能從“烯”字就已經知道它和碳有關系，事實也是如此，富勒烯就是一種碳的同素異形體，而“內嵌“則表示的是這個同素異形體內部還存在一些原子或者分子。

碳是目前已知最“通用的”元素，它允許碳原子以各種各樣不同形式排列，然后形成各種同素異形體。

我們常見的比如有鉆石——這可能是最受歡迎的碳同素異形體，其碳原子以晶格形式存在，然后碳分子以四面體角鍵合，形成非常牢固的結構。

再比如石墨，這是最常用的碳同素異形體，常見于鉛筆芯，其碳原子以片狀或層狀六邊形鑲嵌堆疊并粘合在一起的形式存在。

另外比較出名的還有石墨烯——碳原子以單片石墨的形式存在，我們今天的主角富勒烯正是來自于石墨烯。

但與石墨烯不同的是，富勒烯是將單片碳原子形式轉變成了一個“球狀”，每個分子由60個碳原子組成，而這60個原子組成了20個六邊形，以及在六邊形中散布著12個5邊形。

不知道你看到富勒烯的結構想到了什么，總之它的命名是按照測地圓頂的推廣者巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的名字命名的。

富勒烯的內部是空的，所以就有了內嵌的概念，簡單地說就是往里面填入其它原子或者分子等更小的微粒，這樣就變成了內嵌富勒烯。

內嵌富勒烯分子幾乎違反了化學鍵合的普通定律，因為內部的原子或者分子與富勒烯的關系就像是容器和容物的關系，不存在化學鍵合。

在所有內嵌富勒烯中，最特別的是 N@C60（xx@C60就是表示內嵌富勒烯的，@表示xx在富勒烯內部，N@C60就是指富勒烯內部是1個氮原子），我們前面說到的最貴成交材料正是這個。

內嵌富勒烯其實很早就出現了，但是最初它內嵌的基本都是非常惰性的物質——比如氦、氖等，內嵌一個像氮原子這樣“活潑”的還是剛剛出現的。

事實證明，由于氮電子擁有較長自旋壽命，它是制造精確原子鐘的關鍵，而N@C60可能成為未來原子鐘的關鍵材料。

2、為什么內嵌富勒烯那么貴？

內嵌有氮原子的內嵌富勒烯生產難、分離難、保存難，所以才特別昂貴。這種分子生產難度非常大，一般是在室溫下用氮離子轟擊C60的方法制得的，大多數氮離子或者擊不破C60碳籠，或者把碳籠打碎，只有極少數能量合適，轟擊角度正好的氮原子才能夠擊破碳籠，剛好耗盡氮離子能量，而后碳籠又自己修復好，才能得到氮內嵌富勒烯；而把這生產出來的不到萬分之一的氮內嵌富勒烯從其他C60中分離出來并純化，也是一個極其艱巨的任務。

最后，內嵌有氮原子的富勒烯不太穩定，保存起來也非常困難。“一個單個的氮原子非常容易活潑，如果沒有富勒烯C60這個碳籠對他進行保護，瞬間就會與其他物質反應，所以是一個極其不穩定的自由基。

將氮原子放進富勒烯碳籠里面之后，如果沒有外界的打擾，它就會長期保持穩定；而如果一旦受到光、熱等因素的影響，它就會從籠子里跑掉,所以保存氮內嵌富勒烯必須避光和低溫。

3、為什么目前只有一個實驗室在生產它呢？

其實，現在已知有幾種方法可以合成N@C60，這不是什么秘密，有許多文獻都寫的很清楚，但是所有這些方法都需要極端條件，難以生產。

這是因為推動氮原子通過碳籠在熱力學上是非常不利的，我看到這個團隊在回復采訪的時候是這樣形容的：在化學上要把氮推入富勒烯等同于將水推上山。

不僅難以生產，而且生產過程中失敗的概率遠高于成功，這意味著需要提純，而提純的難度也異常大。

現在唯一生產N@C60的團隊是牛津的Designer Carbon Materials，他們在牛津大學的實驗室內完成制造。

制造過程很透明，他們將富勒烯在真空室中蒸發，制造一個 C60 薄膜，然后讓氮離子噴射到薄膜表面。

在這個過程中，其中一些氮離子就會被捕獲并進入C60薄膜中，形成所需的N@C60分子，但是效率非常低——每得到一個 N@C60 分子都將消耗大約10000個C60分子（氮原子停留在其表面）。

而要讓這一個N@C60分子從10000個無氮 C60 分子中提取出來非常困難，因為C60和 N@C60的化學性質幾乎相同，目前主要是通過一種被稱為高壓液相色譜的技術將兩者分離。

總得來說，生產N@C60是非常困難的，它的實際成本非常高，這是它貴的原因所在，而不是因為它的用途有多大。

其實，我們從N@C60最初的成交是用于研究，而不是商用，也能知道它其實是因為成本高才賣得很貴的，不會有太多利潤空間。

因為你賣太貴，很難吸引別人買去研究，別人不去研究，你就沒有商用的機會。

不僅利潤空間有限，而且現在N@C60作為原子鐘也沒有得到更大的應用，只是處在研發階段，還有一些問題需要解決。

換句話說就是市場到底會是什么反饋并不是很清楚，所以沒人去做是正常的。

另外，這東西的成本貴有一方面自然是它前期的投入會很高，很少有人愿意會為一個未知的領域投入太多。

但是，只要這東西真的有市場，立馬就會有很多資金流入去研究它，到時候價格被打下來是肯定的。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_529681.html
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