富勒烯造就新材料传奇 内蒙古承载富勒烯产业化
富勒烯原子图
今年是富勒烯发现30周年。9月初，以“碳时代，创未来”为主题的2015世界富勒烯大会在呼和浩特召开。大会全面系统回顾富勒烯从发现到现在30年的发展历程，对最新研究成果与应用产品进行展示，探讨以富勒烯为代表的碳纳米材料如何通过其产业化应用创造和改变人类的未来。
大会由1996年诺贝尔化学奖获得者克罗托爵士担任主席，邀请到了包括中国科学院李永舫院士、诺贝尔奖物理学评委瑞典皇家科学院院士奥拉·尹刚等在内的富勒烯研究与应用领域最具影响力的全球各地多学科跨领域的专家、学者和企业代表参会。
富勒烯是一种超级纳米材料，在能源、化工、医疗和基础材料等各个方面都有非常广阔的前景，其代表性成员C60等更被誉为“纳米王子”，是许多高新技术领域潜力巨大的不可替代的材料。记者从大会上了解到，作为战略性新材料，我国工业和信息产业部已将富勒烯碳纳米材料列入《新材料产业“十二五”重点产品目录》，鼓励和扶持我国科技界、企业界研发具有自主知识产权的富勒烯碳纳米材料。而内蒙古，正承载、见证和培育着富勒烯在中国的产业化。
富勒烯造就新材料传奇
发现之旅 曲折而且偶然
富勒烯究竟是什么？它又是怎么发现的呢？在呼和浩特召开的2015世界富勒烯大会上，与会的专家学者给出了详尽的解答。
据专家介绍，富勒烯是一种新的以单质形式存在的碳，具有不寻常的特性，其代表性成员碳60(C60)等更被誉为“纳米王子”。其硬度比钻石还高，韧度是钢的100倍，导电性超过铜而重量只有铜的六分之一，这样的特性使其成为许多高新技术领域应用潜力巨大、不可替代的材料。
任何由碳这一种元素组成，以球状、椭圆状或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯就像一块块乐高积木，被组合成各种形态的衍生物。到目前为止，仅基于C60的富勒烯衍生物就已经被合成出几万种，给富勒烯家族带来了极其丰富的性质并发展出大量应用。
富勒烯的发现是一个曲折且偶然的过程。1970年，日本科学家大泽映二在与儿子踢足球时受到启发，首先在论文中提出了C60分子的设想。但遗憾的是，由于文字障碍，他的两篇用日文发表的文章并没有引起人们的普遍重视，而大泽映二本人也没有继续对这种分子进行研究。1983年，美国天体物理学家唐纳德·哈夫曼和德国物理学家沃尔夫冈·克拉奇默合作，在对不同形式的碳烟进行光谱分析时发现了C60和C70的特征峰，但他们却没有意识到这两种物质的存在。1984年，罗尔芬等为了解释星际尘埃的组成，在实验中再次发现了C60和C70的线索，由于对实验结果缺乏理论分析和创新意识，他们也与富勒烯家族的发现失之交臂。同年，美国化学家斯莫利发明了一台仪器用于半导体和金属原子簇研究。长期从事星际尘埃研究的英国物理学家哈里·克鲁托经克尔参观了斯莫利的实验室后受到启发，并建议使用这台新仪器研究富碳星际尘埃。研究过程中，C60和C70的特征峰再次出现并终于引起了研究者的关注。
1985年，英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国赖斯大学的科学家理查德·斯莫利、海斯、欧布莱恩和科乐等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分子C60。
C60和C70是由固定碳原子数构成的尺寸有限的分子，与金刚石和石墨具有的三维巨型分子结构完全不同，弄清这种新的稳定碳结构，在当时是一个巨大的挑战。经过反复思考，克鲁托等人从美国著名建筑师富勒设计的加拿大蒙特利尔万国博览会美国馆球形圆顶薄壳建筑获得了灵感，后者是一个球形多面体结构的大型建筑物。他们认为C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为巴克明斯特·富勒烯，简称富勒烯。
在富勒烯发现之前，碳的同素异形体只有石墨、钻石、无定形碳，富勒烯的发现，宣告了另一种同素异形体的存在。这一发现震撼了整个科学界，克鲁托、克尔与斯莫利3人也因此获得了1996年度诺贝尔化学奖。而事实上，自然界也存在富勒烯分子，2010年科学家们通过史匹哲太空望远镜发现在外太空中也存在富勒烯。富勒烯发现30年来，人们对它的研究始终没有停止。与会专家介绍，初步研究表明，富勒烯类化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光动力学治疗等方面有独特的功效，而展望未来，富勒烯的应用产业化已迫在眉睫。
内蒙古承载 富勒烯产业化
据了解，之所以在内蒙古呼和浩特举办世界富勒烯大会，一个重要原因就是：在我区呼和浩特市已建立富勒烯生产基地，实现了从研发到工业化的批量生产。可以说，内蒙古承载、见证和培育了富勒烯在中国的产业化。
“我们已经实现了年产300公斤的规模化生产能力，而原料的生产是富勒烯迈向科研与应用的基础。尽管富勒烯已经被发现30多年了，以前一直没有规模化生产就是因为它的生产难度大。我们公司在工业化生产过程中也曾付出了巨大的努力，才能达到如今富勒烯的工业化、规模化生产。”本次大会的主办方之一内蒙古碳谷科技有限公司董事长孙永青对记者说。
内蒙古碳谷科技有限公司是一家专业从事富勒烯碳纳米材料的研发、生产、销售及应用咨询服务的高新技术企业。它位于内蒙古呼和浩特鸿盛工业园区，致力于富勒烯碳纳米材料的工业化生产，主要的生产设备均为自主研发，可实现14%的生产率。该技术不但填补了国内空白，而且处于国际领先水平。单条产线可年产百公斤富勒烯，是目前国内外富勒烯生产行业产率最高的企业之一。2011年，公司攻克了富勒烯分离的关键技术，大大提高了分离效率和产品质量，实现高纯度分离。在制备和分离技术上拥有完全自主的知识产权，打破了美国、日本在富勒烯产业上的垄断地位。
此外，中国科学院化学所研究员王春儒和他的团队也一直致力于富勒烯的应用基础研究，并力图在成果转化方面做一些工作。2008年，王春儒团队与内蒙古京蒙碳纳米材料有限公司合作开发煤燃烧法制备富勒烯技术，2011年获得成功。
据了解，内蒙古京蒙碳纳米材料高科技有限责任公司是国内首家专业从事富勒烯碳纳米材料开发、生产、应用和销售的高新技术企业，在研的煤制富勒烯产业化开发项目解决了生产和纯化的关键技术，目前甲苯辅助石墨燃烧生产富勒烯的中试设备，产率达到国际领先水平，且单条生产线具备每年30公斤富勒烯粗品的生产能力。
据王春儒介绍，因为国内市场容量暂时有限，今后根据需求还可以进一步提高产量，这将让富勒烯生产成本进一步降低。现在C60的价格为每克一百多元，预期几年之后可以降到每克只需花费几十元。据悉，利用煤生产富勒烯属于煤炭资源的深加工产品。实现以富勒烯为主的碳纳米材料产业化，自治区政府正在力争把呼和浩特建设成为我国富勒烯碳纳米材料的生产基地。
富勒烯应用 显现诱人前景
“富勒烯作为一种超级纳米材料，在能源、化工、医疗和基础材料等各个方面都有非常广阔的前景。因此我们邀请了包括诺贝尔奖得主在内的世界顶级科学家前来交流各自的经验，互相借鉴，为富勒烯的历史、现状和未来而沟通。”孙永青介绍。
作为该领域的权威专家，王春儒研究员在大会上表示：“诸多异乎寻常的性能，使富勒烯对化学、物理、材料、医药、微电子等领域产生了深远影响，在应用方面显示出诱人前景。”
在工业应用中，富勒烯添加剂可以使润滑油寿命延长30%；富勒烯与碱金属形成的复合体系是优良的高温超导材料，其超导临界温度高达46K；基于C60光电导性能的光电开关和光学玻璃已研制成功；以富勒烯为关键材料的有机太阳能电池光电转换效率达到6.5%。此外，C60还能够在半导体、催化剂、蓄电池材料等领域得到深入应用。
在生命科学方面，基于富勒烯的磁共振造影剂、治疗癌症的新型药剂正在快速发展。C60是一种很强的抗氧化物质，人们已开发出可以用在保养品中的富勒烯，为人类抗肌肤老化带来福音。王春儒说，富勒烯作为一种新型纳米碳材料，在超导、磁性、光学、催化材料及生物等方面表现出优异的性能，有极为广阔的应用前景。在功能高分子材料领域，已有研究成果表明，将C60、C70的混合物渗入发光高分子材料聚乙烯咔唑中，得到的新型高分子光电导体在静电复印、静电成像以及光探测等技术中可广泛应用。此外，在炭黑中添加少量的富勒烯分子，可以降低胶料的滚动阻力。
我国作为世界上重要的产业大国，在未来的现代化发展中，必将对富勒烯这种基础核心材料有极大的需求。因此，发展具有自主知识产权的富勒烯技术和产业将具有特殊的战略性意义。
“我国科学家在富勒烯和金属富勒烯领域的理论研究、功能化研究、结构表征以及形成机理等方面，取得了一些在国际上具有较大影响的创新成果，在国际上掌握了一定的话语权。”王春儒说，2008年以前，国际富勒烯市场主要由日本、美国、欧盟国家和俄罗斯控制，中国的占有率基本为零。2009年后，随着煤燃烧富勒烯合成项目的建成，我国吨量级富勒烯的生产成本已处于较低水平。据了解，富勒烯国内产业界的发展目标是在最近几年占据全球市场35%的份额，届时中国有望成为国际市场的领军者。而内蒙古作为富勒烯重要的产业基地之一，发展前景将十分广阔。
