富勒烯分子因有中空笼状结构和不寻常的纳米特性，被誉为材料界的“纳米王子”。这是一类由碳的五边形和六边形组成的全碳分子，其可能的结构数量巨大，但绝大多数结构不够稳定。厦门大学谢素原教授等完成的新型富勒烯的合成成果，贡献就在于利用氯原子把它们稳定下来。该成果也因此荣获2015年国家自然科学奖二等奖。
该成果的代表性论文发表在一些国际知名刊物，被国际同行评价为“开辟了研究这些不寻常的、含相邻五边形的富勒烯化学反应、光学、电子性质及其实际应用的新道路”。
富勒烯的问世距今约有30年。1985年，科学家在美国莱斯大学通过质谱检测到含有60个碳原子的碳团簇C60，他们推测其结构包含有12个五边形和20个六边形，每个角上有一个碳原子。因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达敬意，科学家遂将其命名为富勒烯。
由碳的12个五边形和若干个六边形组成的新型富勒烯的可能结构数量巨大，但在富勒烯的可能结构中，大多数都会出现五边形相邻的情况。这些数量几乎可用天文数字来形容的含相邻五边形的富勒烯是非常活泼的，很难被捕获到。过去，科学家只能在气相中研究它们，难以在固相条件下研究新型富勒烯。而谢素原教授小组则成功地捕获了含有相邻五边形的新型富勒烯。
“我们在新型富勒烯的合成中提出了‘张力释放’和‘局域芳香性’两个原理，通过氯化衍生合成了占全世界所合成总数40%以上的含相邻五边形的富勒烯，最为特殊的有C60的同分异构体、含三顺联五边形的C66、含七元环的C68，以及相邻五边形有利的C72等。这些原本高度活泼而不稳定的特殊富勒烯的合成，使C60‘变扁了’，由此证明了三重顺联五边形在富勒烯结构组成中具有普遍性，并揭示了‘独立五边形规则’也可能具有例外的情况。此外，应用该成果提出的两个原理我们合成了小富勒烯C56、含三重五边形直接相邻结构的C64、含有相邻五边形结构的空心高富勒烯C78等。”谢素原教授介绍说。
“我们虽然也使用了通常采用的电弧蒸发的碳来制备新型富勒烯，但还是多亏了氯原子的介入。” 谢素原表示。通俗地说，他们是用氯原子从外表将富勒烯固定住，这打破了过去科学家只能在气相(体)状态下研究富勒烯的局限。
这一过程听着简单，但新型富勒烯成果的取得并非易事。事实上，从2004年开始，厦门大学的科研人员就已经将目光锁定在氯原子。但从最初目标的锁定到最终成果的问世，经历了长达8年的时间。这是因为富勒烯的合成产率十分低，用十万分之一来形容一点也不夸张。富勒烯夹杂许多混合物，再加上氯原子后情况就更加复杂，需要把混合物一个个分离出来。
在这一领域，该项目贡献了基础研究成果。而新型富勒烯合成距离真正应用还有一段很长的路要走。在学术界，新型富勒烯的捕获被认为是可以进一步定向衍生出功能丰富的富勒烯化合物。如今，国内富勒烯(C60、C70)的工业化生产已达年产吨级规模，这使深入进行富勒烯的特性研究和应用开拓成为可能。富勒烯在太阳能、超导、药物、微电子等领域都具有应用潜力，和我们的生活密切相关。
目前这一成果只是在富勒烯中增加了氯原子，如果将氯原子换成其他的原子会发生什么情况?这些有待今后科学家们深入地进行研究。
文章来源：中国化工报
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