价值连城的“足球烯”，美妙绝伦，性能优异，应用前景广阔！
在“世界杯”即将到来之际，人们对世界足球顶尖级赛事充满期待。
而被誉为“足球盛宴”的“足球烯”，作为20世纪80年代的重大科学发现之一，同样值得期待。
1996年，美英科学家克罗托等三人发现的“足球烯”荣获了诺贝尔化学奖。那么，“足球烯”是个什么“宝贝”？它又是如何与科学家“邂逅”的呢？它的应用前景又是怎样的呢？
克罗托博士的“足球烯”模型（网络图）
“足球烯”与科学家的意外“邂逅”
碳作为一个大众元素，普通得不能再普通了。在常温下，碳元素很不活泼，也没有华丽的外表。但这并不能说明碳元素不重要，因为朴素不等于无用！
1985年的秋天，对于全人类来说都是一个激动人心的时刻。美英科学家科尔、克罗托和斯莫利经过一周紧张的工作之后，十分意外地发现了元素碳的一种新的同素异形体——“足球烯”。
“足球烯”是由60个碳原子构成的空心笼状物质，因其在外形上酷似一个足球而得名。原来，“足球烯”分子是一种由60个碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，与足球的结构非常相似，称其为“足球烯”也就不足为怪了。
足球与“足球烯”（网络图）
其实，“足球烯”只是C60的一个通俗叫法，那么它的学名叫什么呢？为了给C60 起一个响当当的名字，它的发现者可是没少费心血哦！
美英科学家克罗托等三人发现美国著名建筑大师巴克明斯特?富勒的网格半球体穹顶结构与这个“纳米足球”十分相像。因此就根据巴克明斯特?富勒的名字，把C60命名为“富勒烯”，又名“巴基球”或“巴克球”。
富勒的建筑杰作（网络图）
（他发明的网格穹顶为一种由四面体框架构成的自我支撑的半球体。）
“富勒烯”家族还有许多成员，它们都是20世纪80年代的重大科学发现之一，具有十分重要的科学意义。这些神奇的全碳分子及其衍生物质，由于具有特殊的组成结构而显示出许多新颖奇特的物理化学性质。
“足球烯”家族成员（网络图）
本是同碳生，缘何各不同？
“足球烯”作为一种令世界震撼的“新形态碳”，极大地丰富了人们对于碳元素的认识。然而，为什么同样是由碳原子组成的物质，有的硬如顽石，有的软如泥块，还有的美丽无比……
这里是足球的世界（网络图）（《富勒烯的物理及化学》封面）
科学家已经发现，由碳元素组成的物质主要有金刚石、石墨、C60（足球烯）等单质。它们之所以具有如此大的性能差异，原来是由于它们具有不同原子模型的缘故。
纯净的金刚石是无色透明的正八面体形状的固体，现在已经发现它是天然存在的最硬的物质。 原来，金刚石的原子是交错排列的，每一个碳原子都紧密地与其它4个碳原子直接连接，从而形成了一个牢固的立体结构，因而它就显得十分坚硬了。
金刚石结构示意图（网络图）
金刚石经过琢磨后可能闪烁出耀眼的光芒，因此可以用来制作价格昂贵的钻石装饰品。同时，金刚石还可用来制作钻头、钻凿岩石、裁割玻璃以及切割大理石等。
石墨是一种深灰色的具有金属光泽而不透明的细磷片状固体，就目前所知它是自然界中最软的矿石。原来石墨中的碳原子是一层一层排列的，虽然每一层的碳原子结合得非常紧密，但层与层之间的结合力却非常地弱。
石墨结构示意图（网络图）
因此，石墨在层间非常容易发生断裂，从而表现出较软的性质，如具有滑腻感、熔点较高、容易导电等优良的性能，常可用干电池的电极或高温作业下的润滑剂。
尽管“富勒烯”与金刚石、石墨同属于碳元素组成的单质，但“富勒烯”特殊的结构特点决定了其具有特殊的物理化学性能。如C60球形刚性分子具有很高的抗压强度，C60可以溶解于苯等非极性溶剂中，碱金属掺杂的C60具有良好的超导性，而过渡金属C60化合物则表现出较好的氧化还原性能。
“足球烯”模型（网络图）
C60具有稳定的分子结构，但又具有一定的反应活性。据悉， C60能够进行加成反应、配位反应、周环反应等。并且，C60与环糊精、环芳烃形成的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用。
据悉，在高压条件下C60可以转变为金刚石，这无疑于开辟了金刚石合成的新途径。同时，C60的中空球形结构使其在内外表面都可以进行化学反应，从而得到具有特殊功能的C60衍生物。
“足球烯”续写碳素传奇
碳元素作为地球宇宙微粒的主要构成元素之一，在地球生命的演化过程中发挥了极其重要的作用。在地球上，碳是一切生命的基础。地球上已知的生物大多数为碳基生物，即以碳元素为有机物质基础的生物。
碳元素是自然界中存在形式最为复杂的一种元素，其特有的共价键结合形式成就了种类繁多、功能奇特的有机物。由于碳具有很高的成键能力，并且具有许多独特的性能，使其有资格成为太阳能的主要化学能源载体。
科学家认为，氨基酸和核苷酸是生命的基本单元，而氨基酸和核苷酸又都是以碳链为骨架构造而成的。伴随着碳链的延长，氨基酸和核苷酸则进一步演变成为了蛋白质和核酸，这是原始生命诞生的基础，也是人类诞生必然经历的过程。
科学家认为，富勒烯家族的其它成员也极有可能具有超导性。如电子掺杂的C60最高转换温度为40K，而电子掺杂的C70的转换温度为7K。据悉，英国的研究者正在开发能用于原子钟的内嵌富勒烯，这是目前世界上最为昂贵的一种新材料，每克的价值大约为1.45亿美元。当“富勒烯”内嵌氮原子时，由于它们电子自旋的寿命非常长，因此具有改变我们计时方式的潜力，并有望把原子钟安装在手机内的芯片上。
“足球烯”变成了“球形容器”（网络图）
科学家正在尝试打开足球烯的“球门”，从而把某些原子或离子搀杂进去，这样“足球烯”就可以成为一个特殊的球形容器了，并有望在宇宙化学、超导领域、材料科学以及医学领域获得非凡应用。
碳纳米管也是一种典型的“富勒烯”，是一种具有管状结构的碳原子簇。根据理论计算，碳纳米管纤维的强度为钢的100倍，而质量却只有钢的七分之一。
碳纳米管结构示意图（网络图）
碳纳米管还具有极强的储气能力，可以应用于燃料电池的储氢装置上。如果把碳纳米管制作成碳纤维，那么一定会是一种十分理想的轻质高强度材料。
“富勒烯”原子团簇及其衍生物有望在生命化学、有机化学、材料化学、无机化学、高分子科学、催化化学等许多领域获得重要应用，并深刻影响人类社会的许多方面。
有科学家认为，富勒烯还将为研究抗癌药物提供潜在的线索，并在超导体、耐磨润滑材料、催化剂载体、高能电池材料、医学影像剂以及抑制病毒等方面具有广阔的应用前景。
参考文献
【1】现代物理知识 萧如珀 杨信男 译.《1985年9月1至11日：富勒烯的发现》，中科院高能所，2017-08-28。
【2】材料人网新闻编辑团队 李团伟.《足球烯——科学世界里的足球盛宴》，材料人网，2015-01-21。
【3】新材料在线.《10亿1克的富勒烯到底是什么样子的？》，搜狐网，2016-08-15。
作者：肖溪树
