从“足球”到“足球烯”：一颗分子球，如何改写碳材料的历史

2026-07-20 14:39:37 默克生命科学

如果把一颗足球不断缩小、缩小，再缩小到纳米尺度，会发生什么？

化学家给出的答案是：你可能会看到一种著名的碳分子——C₆₀，它还有一个更广为人知的名字：足球烯，或者更正式地说，巴克明斯特·富勒烯（Buckminsterfullerene）。这种分子由60个碳原子构成，外形酷似足球，由12个五边形和20个六边形拼接而成，因此常被形象地称作“足球烯”。

在石墨和金刚石之外，碳还有“第三种传奇”

在很长一段时间里，人们熟悉的碳材料主要是石墨和金刚石。直到20世纪80年代，科学界才真正意识到：碳还可能形成一种封闭笼状结构的新家族——富勒烯（fullerenes）。其实，在正式发现之前，关于这种笼状碳分子的理论设想已经出现过。早在1970年前后，就有学者提出C₆₀这类空心碳笼结构的可能性。

1985年，美国莱斯大学哈罗德·克罗托（Harold Kroto）、罗伯特·柯尔（Robert Curl）和理查德·斯莫利（Richard Smalley）等研究人员在研究碳团簇时，用激光汽化石墨，并通过飞行时间质谱分析生成的碳簇。他们发现，在某些条件下，质量数为720的峰异常强烈，这对应的正是60个碳原子组成的簇团C₆₀。这意味着，C₆₀似乎是一种“特别稳定”的碳结构。研究者进一步提出，它很可能不是一团杂乱无章的碳，而是一个高度对称、封闭成笼的分子。这个结构借鉴了美国著名建筑师巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的测地线网格球形穹顶设计，于是被命名为Buckminsterfullerene，也就是巴克明斯特·富勒烯。

1985年的发现非常震撼，但当时有一个现实问题：量太少了。科学家虽然在质谱里“看到了”它，却还不能方便地分离出大量样品做更系统的研究。真正推动富勒烯研究爆发的是1990年的关键进展：美国亚利桑那大学物理系与德国马克斯普朗克研究所教授合作通过石墨电弧法制备出了可溶、可提取的富勒烯混合物，并证实其中存在C₆₀和C₇₀。这一步让富勒烯从“质谱中的一个峰”，变成了“实验台上的一种材料”。^[1][2]

图1：二十面体富勒烯（C₆₀）^[2]

1996年：诺贝尔奖的加冕

由于发现了富勒烯这一全新的碳分子家族，哈罗德·克罗托（Harold Kroto）、罗伯特·柯尔（Robert Curl）和理查德·斯莫利（Richard Smalley）教授共同获得了1996年诺贝尔化学奖。诺贝尔奖的授予，不仅是对一次重要发现的肯定，也代表着学界对“碳的新形态”这一方向的高度认可。^[4][5]

图2：1996年诺贝尔化学奖获得者^[4]

为什么足球烯如此特别？

足球烯之所以吸引科学家，关键在于它兼具了结构美感和功能潜力。首先，它非常稳定。C₆₀的封闭笼状结构没有悬挂键，整体对称性高，因此在一系列碳团簇中表现出特殊稳定性。其次，它具有独特的电子性质。富勒烯中的碳原子整体上是sp²杂化，但又不是平面的石墨，而是弯曲成球壳。正因为这种曲率和电子离域特征，C₆₀既能接受电子，也容易发生加成反应，非常适合做分子电子学和有机功能材料研究。再者，富勒烯不是只有C₆₀一种。除了C₆₀，还有C₇₀、C₈₀等更大的成员。按照几何规律，富勒烯都必须含有12个五边形，六边形数量则随碳原子数增加而增多，这就形成了一个丰富的“分子家族”。^[2][3]

图3：多种二十面体富勒烯示例^【2】

富勒烯真正厉害的地方，在于它不仅是一个漂亮分子，更是一个可被改造的平台分子。化学家发现，富勒烯表面可以做各种功能化修饰，通过共价或非共价方式，可以在其表面接上不同官能团，调节其溶解性、电子结构和生物相容性。这就催生了大量富勒烯衍生物，例如在有机太阳能电池中非常经典的PCBM，本质上就是以C₆₀为核心进行功能化后的电子受体材料。除此之外，还有内嵌富勒烯、富勒烯基复合材料，以及由其启发并推动发展的碳纳米管等新型纳米碳材料。^[3][6]

货号	名称	规格
CN379646	富勒烯-C₆₀	99.5%
572500	富勒烯-C₆₀	Sublimed, 99.9%
684449	PCBM	99%
684457	PCBM	99.57%
773735	单壁碳纳米管	(6,5) chirality, ≥95% carbon basis (≥95% as carbon nanotubes), 0.78 nm average diameter
704121	单壁碳纳米管	(7,6) chirality, ≥90% carbon basis (≥77% as carbon nanotubes), 0.83 nm average diameter, avg. no. of layers, 1

今天，足球烯用在哪些地方？

富勒烯及其衍生物的应用，已经从基础研究逐步走向实际领域。在能源材料中，富勒烯衍生物被广泛研究用于有机光伏/太阳能电池，作为优良的电子受体和传输材料；在生物医药方向，富勒烯因其尺寸小、表面可修饰、具备一定抗氧化特性，被探索用于药物递送、抗氧化剂和生物医药材料；在储能、氢储存、分子电子学、超导和传感等方向，富勒烯也显示出独特价值。^[3]

足球烯的故事之所以迷人，在于它兼具了科学史上的几种经典元素：有理论预见，也有实验偶遇；有结构之美，也有功能之用；有基础研究的突破，也有材料应用的延展。从1985年首次发现，到1990年实现宏量制备，再到1996年登上诺贝尔奖殿堂，足球烯只用了短短十余年，就从一个“奇怪的质谱峰”成长为纳米科学的标志性分子。正逢世界杯，回头再看这颗“分子足球”，会发现它不仅像足球，更像科学本身：外表简洁优雅，内部却蕴藏着无穷变化。

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参考文献

[1] H. W. Kroto, A. W. Allaf, S. P. Chemical Reviews, 1991, 91, 1213-1235.

[2] W. O. J. Boo, Journal of Chemical Education, 1992, 69(8), 605-609.

[3] R. Bharti, A. Thakur, M. Verma, R. Sharma, N. Sen, Springer Nature, 2024

[4] The Nobel Prize in Chemistry 1996, NobelPrize.org, https://www.nobelprize.org/prizes/uncategorized/the-nobel-prize-in-chemistry-1996/

[5] Press release: The 1996 Nobel Prize in Chemistry, NobelPrize.org, https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1996/press-release/

[6] Discovery of Fullerenes National Historic Chemical Landmark, American Chemical Society, https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/fullerenes.html