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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。

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