【科普】富勒烯的应用

从富勒烯被发现并且大量生产后，其在科学领域的应用越来越多。它是碳的第三种同素异形体，与金刚石或石墨不同，仅由...





从 富 勒 烯 被 发 现 并 且 大 量 生 产 后 ， 其 在 科 学 领 域 的 应 用 越 来 越 多 。 它 是 碳 的 第 三 种 同 素 异 形 体 ， 与 金 刚 石 或 石 墨 不 同 ，仅 由 排 列 为 中 空 封  闭 笼 形 的 碳 原 子 组 成。特 殊 结 构 形 成 了 其 独 特 的 理 化 性 质，具 有 密 度 小 、 易 升 华 、不 导 电 ，比 金 刚 石 活 泼 ， 以 及 高 度 对 称 性 等 特 点 ，对 化 学 、物 理、材 料 科 学 、生 物 、 药 物 活 性 等 都 产 生 了 深 远 的 影 响 。

将 富 勒 烯 与 生 物 分 子 连 接 ， 得 到 的 化 合 物 具 有 富 勒 烯 与 生 物 分 子 的 双 重 特 性 ， 可 能 改 善 生 物 分 子 的 原 有 功 能 或 者 产 生 一 些 新 的 生 物 活 性 。

抗病毒活性和抗菌性

富 勒 烯 及 其 衍 生 物 因 其 独 特 的 分 子 结 构 而 具 有 很 好 的 抗 病 毒 活 性 ， 在 对 HIV 病 毒 感 染 的 治 疗 过 程 中 得 到 很 好 的 应 用 。Shoji 等 研 究 发 现 了 8 种 可 以 作 用 于 H1N1 甲 型 流 感 病 毒 并 产 生 较 好 效 果 的 富 勒 烯 衍 生 物 ，这 8 种 衍 生 物 均 可 以 很 好 的 通 过 抑 制 病 毒 的 核 酸 内 切 酶 来 达 到 治 疗 的 效 果 。

Kornev 等 合 成 了 一 种 四 羧 酸 酯 富 勒 烯 衍 生 物 ，在 水 中 的 溶 解 度 不 高 ，但 该 衍 生 物 钠 盐 的 水 溶 性 则 显 著 提 高 ，而 且 具 有 显 著 的 抗 病 毒 、 抗 癌 和 抗 氧 化 活 性 。 Patel 等 发 现 一 种 阳 离 子 富 勒 烯 衍 生 物 可 以 通 过 抑 制 次 黄 嘌 吟 - 鸟 嘌 吟 的 磷 酸 核 糖 转 移 酶 进 而 抑 制 肺 结 核 中 的 分 支 杆 菌 。该 物 质 中 喹 唑 啉 环 中 的 溴 原 子 可 以 增 加 其 亲 油 性 ，能 更 好 地 穿 透 分 支 杆 菌 。

抗氧化活性1999 年，人 们 首 次 发 现 富 勒 烯 具 有 潜 在 的 生 物 抗 氧 化 活 性 ，具 有 这 个 活 性 的 原 因 是 其 拥 有 大 量 的 碳 碳 双 键 和 LUMO，可 以 很 好 的 吸 收 电 子 。 有 很 强 与 自 由 基 反 应 的 能 力 ，可 以 和 苄 基 、 甲 基 反 应 生 成 自 由 基 和 非 自 由 基 的 加 合 物 ，享 有“自 由 基 海 绵 ”的 美 称 。其 用 于 生 物 抗 氧 化 的 一 个 主 要 优 点 就 是 它 可 以 很 容 易 进 入 到 细 胞 线 粒 体 或 者 细 胞 的 组 织  中。

多 羟 基 富 勒 烯 (   又 名 富 勒 醇 )  是 一 种 很 好 的 抗 氧 化 剂 ， 清 除 自 由 基 效 率 高 且 其 水 溶 性 好，可 以 很 好 的 穿 过 细 胞 膜 。其 抗 氧 化 性 可 表 现 在 以 下 几 个 方 面 :

1) 无论在体内还是体外，可以通过清除自由基而很好地阻止神经元细胞的兴奋性毒性、细胞凋亡损伤和大脑中的转基因神经退行性疾病;

2) 可以通过清除自由基而使肝脏、心脏、肾等内脏器官免受氧化损伤;

3) 可以保护细胞、组织和器官免受电离辐射产生的自由基损伤。作为药物载体

因 为 富 勒 烯 具 有 生 物 稳 定 性 ，可 以 通 过 共 价 键 与 很 多 药 物 相 连 ，所 以 有 着 产 生 缓 释 系 统 的 潜 能 。这 种 药 物 运 输 的 策 略 大 大 增 大 了 富 勒 烯 及 其 衍 生 物 的 应 用，例 如 C60- 紫 杉 醇 、C60-PEI-FA/DTX或 者 与 DNA 分 子 相 结 合，证 明 富 勒 烯 是 很 有 前 景 的 药 物 载 体 。阿 霉 素 是 本 身 有 着 很 多 副 作 用 的 有 效 抗 癌 药 物 ，其 副 作 用 可 以 通 过 与 富 勒 烯 结 合 来 降 低 。富 勒 醇 也 是 很 好 的 抗 癌 药 物 载 体，原 因 是 富 勒 醇 在 极 性 溶 液 中 具 有 很 高 的 溶 解 度 ，而 且，其 本 身 作 为 一 个 多 官 能 团 结 构，可 以 结 合 生 物 活 性 组 分 来 获 得 高 效 率 的 药 物 负 载 率。富 勒 烯 是 一 种 很 强 的 抗 氧 化 物 质，其 抗 氧 化 能 力 是 维 生素  C 的 125 倍。除 了 抗 氧 化 外 ，还 具 有 清 除 自 由 基、活 化 皮 肤 细 胞 等 作 用。因 此 ，其 成 为 最 近 几 年 来 ， 最 热 门 的 肌 肤 保 养 成 分。

Dr. MeEwen 等 首 次 提 出 了 “维 他 命 C60自 由 基 海 绵”的 概 念，经 过 研 究 和 开 发，已 经 可 以 添 加 在 化 妆 品 中 使 用，这 无 疑 是 一 个 新 的 具 有 无 限 潜 能 的 发 展 领 域 。近 年 来 ，富 勒 烯 C60 成 为 日 本 最 热 门 的 肌 肤 保 养 成 分 ，尽 管 价 格 十 分 的 昂 贵 ，但 因 为 其 具 有 超 强 的 抗 氧 化 效 果，因 而 得 到 了 很 多 高 端 消 费 者 的 青 睐 。 从 1990 年 开 始， 对 于 C60 富 勒 烯 在 清 除 自 由 基 功 能 方 面 的 研 究 就 有 很 大 的 发 展 ，许 多 的 科 研 成 果 都 证 实 其 效 果 显 著。

C60分子的特殊结构和特殊的性能，使其与过渡金属形成的配合物，许多都是良好的催化剂。用作新型催化剂，是富勒烯未来发展的一个重要方面，有着良好的工业应用前景。刘晔等研究表明，在1-庚烯环化生成1,2-二甲基环戊烷的反应中，加入独特催化活性的催化剂C60Pd( PPh3)2，能够明显加快反应速率；李疏芬等利用燃速测试法、热分析法，用炭黑、C60和富勒烯黑三种碳类物质，研究了对RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响。结果表明：C60和富勒烯黑能使双基推进剂燃速明显提高，燃气中NOx含量显著降低。

C60晶体与Si、Ge、Ga和As是一种半导体，可用于制作新型半导体材料。洛杉矶加州大学的科学家首次把C60制成半导体，在四种不同的溶剂中都溶解了C60富勒烯，测试它们的电性能时，发现C60能接受多达3个外电子，这种高电子亲和性能使其具备了制作计算机芯片的条件。日本三菱电机公司生产出达几百纳米厚的膜可以用来制备光电器件，这种物质的性能要远远高于硅和砷化镓。浙江大学目前也生产出了富勒烯掺杂酞普化合物，也可用于新光电导材料。

近年来，由于重量轻、成本低、大面积、可弯曲等优点，利用C60衍生物和共扼的聚合物来制备薄膜光伏器件—太阳能电池或光电传感器，受到越来越多科研工作者的关注。合成过程中，C60是弱电子受体，共扼聚合物是弱电子给体，在光照的外界条件下，会导致激发态电荷发生转移，电子转移给C60衍生物，空穴转移给共扼聚合物。球形π共扼电子可以提高分子间相互作用，虽然C60具有这种结构，但它只能溶解在一些常用的溶剂(甲苯、CS2等)中。因此为了突破用作功能材料的应用范围，C60必须通过加成反应、环加成反应两种方法进行功能化的改性。郑立平等首次得到C60衍生物PCBB，可用于制成高能量转换效率的太阳能电池，其能量转换效率比目前广泛使用的PCBM还要高。C60的出现为金刚石开辟了新的来源，在常温和1. 52 MPa条件下，C60可以转变为多晶型金刚石，在温和的条件下，C60膜也可以直接转变成金刚石膜。目前己经有人在轴承等部件上吸附一层C60膜，然后在一定的条件下，转变为金刚石镀层，所形成的金刚石镀层硬度高，用作轴承等部件，其耐磨损性能更好，延长了使用寿命。

C60分子内部有很强的作用力，分子之间的作用力较弱，表面能较低，这些性质表明它可以在固体润滑剂领域有着广泛的应用。Nakagawa等在MoS2基体上，运用分子束取向生长法，得到了超薄C60膜，这种膜具有高结晶度，并且是至今摩擦系数最低的C60膜。Suasex等运用化学氟化法，得到了白色粉末状的“氟隆球”(C60F60)，该物质是一种超耐高温的润滑剂，在高科技发展中会起到重大作用。阎逢元等将1wt%的C60 /C70分散在石蜡油中，得到了极压负荷提高了3倍的石蜡油，摩擦系数也降低三分之一，在较高速度范围内有一定的抗压与润滑作用，表现出了良好的润滑性能。除此之外，富勒烯C60在原子级光开关、电泳显示、隧道二极管、双层电容器、光电成像、表面涂层、增强金属强度、气体储存、气体分离等领域也有广泛应用。随着应用研究逐渐深入，它在溶解性、磁性、非线性光学性质、超导和光导电性等表现出优异性能的应用范围也越来越广泛，应用前景将更为广阔。



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