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将“纳米王子”推向市场

时间:2013-10-31 09:01来源:中国科学报   作者:未知 阅读:


[email protected]及其衍生物分子结构示意图,这样的金属富勒烯在电子、能源、生物医学等方面有广阔应用前景

中国科学院化学所研究员王春儒和他的团队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。可以说,王春儒一边作科学研究,一边自己生产原料,同时还做着产业化的工作。

 

 

 

当记者走进王春儒的办公室时,他正在端详桌上的一排富勒烯分子结构模型。深秋的阳光透过不薄的眼镜片,跳跃在他深蓝色的西装上,一股儒雅的学者气质伴随着他自然的笑脸让人感觉特别憨厚。

 

 

 

作为中国科学院化学所研究员,王春儒同时还是中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室(以下简称实验室)的副主任。他和他的团队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。

 

 

 

凭什么被称作“纳米王子”

 

 

 

“现在许多爱美人士使用的化妆品中,就有富勒烯的功劳。”王春儒拿起手边的一个化妆水包装盒对记者说,这个日本品牌的产品就是使用了富勒烯作为原料之一,因为它的作用非常明确,就是能起到延缓衰老的作用。

 

 

 

要知道,自由基是引起细胞凋亡的罪魁祸首,而富勒烯能够高效淬灭自由基,因此减缓细胞凋亡速度,达到抗衰老的作用。相比通常所宣称具有抗衰老作用的维生素而言,富勒烯淬灭自由基的效率提高了上百倍。

 

 

 

富勒烯是碳的同素异形体,它是由五元环和六元环构成的一系列封闭笼状结构,统称为富勒烯。由于富勒烯完美的对称结构、在纳米尺度范围内特殊的稳定性,以及奇异的电子结构,使其成为在许多高新技术领域应用潜力巨大、不可替代的材料,被业界称为“纳米王子”。

 

 

 

1985年,英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托和美国科学家理查德·埃里特·史沫莱使用大功率激光束轰击在真空中腔中的石墨使其气化,同时采用氦气产生超声波,使被气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀,并迅速冷却形成新的碳原子簇,从而得到了C60。

 

 

 

这便是富勒烯第一次被制造出来,其他科学家们随后制备出的C70、C84等也都是富勒烯家族的成员,其中以C60的物理化学性质最为稳定。

 

 

 

其生物安全性又如何呢?王春儒谈到,去年法国的一个科研小组将富勒烯混合在橄榄油中喂食小鼠,小鼠服用7个月后。试验结果出乎大家的意料,小鼠不但没有出现中毒等不良反应,平均寿命还从2年延长到了5年。最近,瑞士一家公司据此生产的富勒烯/橄榄油保健品已经在市面上出现,据说能够起到延年益寿的效果。  

 

 

自给自足打破国外垄断

 

 

 

2002年,王春儒入选中国科学院“百人计划”,从德国回国加入实验室从事富勒烯的相关科研工作,也正是从那时起,他就与富勒烯产业化卯上了劲。

 

 

 

“当时国内研究富勒烯的人很多,但制备工艺却停滞不前,其价格一直居高不下,我们也深受影响。”王春儒谈到,那时候的富勒烯通常是科研机构的实验室生产的,价格为每克1000~2000元。到2003年,日本三菱公司开始工业化生产富勒烯后,其价格才下降到每克300~500元。

 

 

 

2007年,王春儒团队尝试与西南科技大学、中橡集团炭黑研究院合作,采用IBM公司的苯燃烧法制备富勒烯技术专利,研制了国内第一套富勒烯工业化生产装置,可以年产千克量级的C60和C70,打破了国外对富勒烯原料的垄断,为我国富勒烯科研和应用提供了充分的材料和技术。

 

 

 

2008年,王春儒团队又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,单台设备可以制备百公斤级的富勒烯生产设备。王春儒说:“因为暂时国内市场容量有限,今后根据需求还可以进一步提高产量,这使得富勒烯生产成本进一步降低。现在C60的价格为每克120元。预期几年之后可以降到每克只需花费几十元。”

 

 

 

另外一方面,王春儒在金属富勒烯的研发和产业化过程中,也做了大量的工作。“从回国开始,我就对新结构的金属富勒烯感兴趣。”王春儒说,他尝试在富勒烯的分子结构中,嵌入稀土金属原子或分子,产生的新结构被称为金属富勒烯。

 

 

 

金属富勒烯呈现出更多优异特性。比如在富勒烯中加入金属钆,所得到的钆内嵌富勒烯会保留金属钆的超顺磁特性,利用这个特性可以开发核磁共振造影剂。“我们在实验室中,通过将钆原子嵌入到富勒烯分子笼的内部,获得的核磁共振造影剂比现在临床所用的造影剂效率高出10~60倍。”王春儒说。

 

金属富勒烯预示的诱人前景

 

 

 

“2002年刚回国时,由于国内制备金属富勒烯的技术和设备相对缺乏,我们一边自己生产原料,一边作科学研究。”为了解决金属富勒烯原料问题,王春儒设计了一套自动化程度非常高的金属富勒烯生产实验室设备,这套设备的生产量级为每天5毫克,对于做科研来说,已经是足够了。

 

 

 

“当然,为了推动金属富勒烯的应用,我们不满足于毫克量级的金属富勒烯材料”,2008年,在中科院仪器研制基金的资助下,王春儒设计制作了利用石墨和金属粉连续进料,并与两个电极同时放电的第二代金属富勒烯制备装置,将金属富勒烯产量增加了5倍。但是,与应用研究所需求的量相比,这还远远不够。

 

 

 

2011年,王春儒团队和厦门福纳新材料科技有限公司合作,探索采用磁控电弧法新技术制备金属富勒烯。在厦门市“双百计划”的资助下,他们把这种金属富勒烯制备方法进行产业化,把金属富勒烯的产量又一次大幅度提高了10多倍,现在,利用单台设备已经达到生产金属富勒烯每天0.5克的水平。

 

 

 

金属富勒烯目前的市场价格为每克至少1万美元,由于制备成本高昂,这种稀罕物现在更适合一些不可替代的应用。比如治疗癌症的特效药物,或者被广泛应用于航空、航天、航海等领域的陀螺定位仪等。

 

 

 

在室温下,含金属钆的分子会在富勒烯分子碳笼内飞速旋转,在富勒烯的保护下,其转动是几乎没有摩擦的,且非常稳定。这样一来,科研人员就可以用激光对其旋转方向进行调整,这就相当于陀螺旋转,如果很好地加以控制,就可以用来做陀螺定位仪。王春儒说:“现在国内陀螺定位仪的技术水平和美国相差8年左右,如此大的差距,必须用新的材料、新的机理来弥补和超越,金属富勒烯就是我们的希望之一。”

 

 

 

去年,王春儒团队和北京航空航天大学合作,在国家自然科学基金项目支持下展开基于金属富勒烯的陀螺定位仪研究工作。“在金属钆富勒烯的启动和定向方面,我们已找到办法,还需进一步检测,希望再过五年时间,我们能够制备出新机理的分子陀螺定位仪原型机,这将是该领域的革命性进展,比美国目前的陀螺定位仪技术水平还要先进。”

 

 

 

在金属富勒烯生产中,[email protected]产量是最多的。因为其用途广泛,造影剂、陀螺仪、抗癌药物等等都能用到。“我们最近还准备寻找合适的公司一起开发基于金属富勒烯的新一代造影剂的工作。可以预见的是,诸多异乎寻常的性能,使得金属富勒烯将对化学、物理、材料、医药、微电子等领域产生深远影响,在应用方面还将有更多的诱人前景。”

(责任编辑:泉水)
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