近年来富勒烯C60及其衍生物材料的应用进展

　　自从 Kroto 等人[1]发现富勒烯以来，富勒烯以其独特的结构引起了科学界的普遍关注，富勒烯及富勒烯衍生物已经成为国际上异常活跃的研究领域。

　　目前合成的富勒烯衍生物种类繁多，而其中单加成和多加成衍生物的三维立体结构具有重要的应用价值[2,3]，因此合成功能化的富勒烯单加成和多加成衍生物是富勒烯化学中最前沿的课题之一。 在微纳米结构材料中引入富勒烯 C60及其衍生物可使其物理、化学性质和性能得到较大改善，表现出独特的光电学、材料科学和生物医学等性能。 因此，发展富勒烯 C60及其衍生物材料在光学、电学、催化和生物医药等方面的应用研究是一项富有挑战性的科研工作。 本文主要综述了近年来富勒烯 C60及其衍生物材料的应用最新研究进展， 并展望了富勒烯 C60及其衍生物材料的发展前景和趋势。

　　1 光电材料应用

　　1.1 富勒烯太阳能电池

　　聚合物/富勒烯太阳能电池（PFSCS）较传统电池而言，具有生产成本低、质量较轻、柔性可弯曲和易于实现大面积加工等独特优点，同时该太阳能电池光电转换效率也逐渐提高， 从原来不到 1%提高到了目前的 10%以上，具有良好的发展前景，受到了国内外科研工作者的广泛关注，并且取得了很大的进展[4-9]。 PFSCS工作原理与传统的太阳能电池不同，其主要是利用光伏效应实现光电转变，其工作原理如图 1 所示。 当太阳光照射在电池活性层纳米材料上时，光被其吸收并激发产生激子，产生的激子因其浓度差异而向电子给体/电子受体 （D/A） 界面扩散。 电子给体和受体在界面处存在一定的 LUMO 能级差，导致激子在界面处发生了电荷分离形成了自由载流子，正载流子被转移到阳极以及负载流子被转移到阴极，它们在电极上被收集从而形成了光电压和光电流。

　　1.2 非线性光学性能

　　C60分子具有三维 π 电子共轭体系和高度对称结构， 使得其具有优良的反饱和吸收的光限制性和大的三阶非线性光学系数等非线性光学性能[10]。 在实际应用中，根据 C60反饱和吸收的光学限制性制造光学限幅器，用来保护探测器和人的眼睛；根据 C60离域大 π 电子共轭体系、较大的三阶非线性光学系数和高稳定性等特点，可以广泛应用在光计算、光记忆和光信号处理及控制等方面。目前，富勒烯非线性光学材料在军事上的应用尤为突出， 随着激光技术的快速发展， 一系列激光武器也在不断的被研发出来，如激光致盲、激光窃听、激光制导导弹等。

　　1.3 光电转换性能

　　薛鹏冲等人[11]利用有机凝胶和 C60COOH 相互混合组装成纳米纤维，Kentaro Tashiro 等人[12]利用溶剂挥发法和自组装法制备了卟啉-C60衍生物纳米线，Samson A. Jenekhe 等人[13,14]利用自组装法制备的 P3BT-nw/C61-PCBM 和 P3BT-nw/C71-PCBM 纳米线，这些 C60衍生物纳米材料在光照射下，电流和电压 都逐渐升高 ， 均具有较好 的光电转换 性能。Richard Charvet 等人[15]利用自组装法制备的卟啉-C60衍生物的聚合物纳米线，具有较好的荧光性能和光电转换性能。 同时，这些 C60衍生物纳米材料具有较高热稳定性和较好的延展性，是很有发展前景的新型光电转换材料。

　　2 催化性能应用

　　催化剂在有机化学反应中应用非常广泛， 最近研究表明，C60分子和其负离子在紫外光的照射下，具有较高的催化效率。 徐正课题组[16]深入研究了 C60分子和其负离子催化效率，在紫外光照射下，以 C60分子和其负离子作为催化剂，硝基苯被催化氢化为苯胺， 如图 2所示， 实验结果表明， 其催化效率高达到 100%，该研究成果进一步拓展了催化剂领域[16]。

　　3 疏水材料应用

　　Takashi Nakanshi 等人[17,18]利用自组装法和模板法分别制备出了微米级皱折的花瓣状和盛开花状C60衍生物， 该 C60衍生物的微米级材料具有较好的疏水性能和耐高温性能， 在紫外线长时间照射下，仍具有较好的疏水性能。 该 C60衍生物的微米级材料拓展了疏水材料领域，为疏水材料的发展提供了重要的科学基础。

　　4 生物医学应用

　　4.1 药物载体

　　C60纳米材料具有较强的抗氧化能力，对生物细胞不产生毒害作用，在生物医学方面具有较强应用价值。 F. Moussa 等人[19]把 C60纳米材料的水溶性悬浮液注入小白鼠肝细胞内， 并置于 CCl4溶液中处理，经过透射电镜和显微镜观察，未注入 C60纳米材料悬浮液的小白鼠肝细胞，在 CCl4溶液中大部分坏死，而注入 C60纳米材料悬浮液的小白鼠肝细胞，在CCl4溶液中基本保持完好。 这说明了 C60纳米材料悬浮液在生物细胞中表现出了较强的抗氧化能力，能够成功的阻碍 CCl4溶液破坏生物细胞。 D. B.Warheit 等人[20]在 C60纳米材料的应用方面也做了深入的研究， 他们将 C60纳米材料悬浮液注入小白鼠肺细胞中， 未发现 C60纳米材料对小白鼠肺细胞有毒性作用。

　　C60衍生物纳米材料在生物医学应用方面也具有非常广阔的应用前景。 David B. Warheit 等人[21]将纳米级的 C60(OH)24悬浮液注入小白鼠的肺细胞中，未发现 C60(OH)24对肺细胞产生毒性作用。韩冬等人[22]制备的 C60(C(COOH)2)2纳米粒子可以选择性的进入受损大脑细胞， 而对其他健康脑细胞没有破坏作用。 这些研究为 C60衍生物纳米材料作为药物载体治疗病变脑细胞提供了科学依据。

　　4.2 生物传感器

　　目前，生物传感器主要有 DNA 生物传感器、免疫传感器和酶生物传感器，它在众多领域中有着广泛的应用。 富勒烯 C60材料传感器较传统的传感器具有成本低、生产工艺流程简单、可再生等优点，使其在生物传感器领域中具有广阔的应用前景。 近年来研究发现， 利用富勒烯 C60材料合成的生物传感器， 可以对蛋白质和细菌等进行有效的检测与分析。 此外，富勒烯 C60材料传感器还可以起到增加电极有效表面积、支撑金属纳米颗粒，使生物传感器的性能达到最佳状态[23]。

　　5 抗氧化性应用

　　清除自由基对人体健康非常重要，它与人体的细胞新陈代谢、皮肤衰老以及疾病的预防和治疗有非常紧密的关系。 富勒烯 C60有着非常强的抗氧化性，它可以较好的起到清除自由基、预防衰老的作用。 近年来研究发现，把富勒烯 C60加入到皮肤保健品中， 其清除自由基功能能够起到抗皮肤氧化、减缓人体皮肤细胞新陈代谢等作用。

　　6 超导材料应用

　　美国科学家贝尔发现了富勒烯的超导性，他在固体 C60中掺杂碱金属钾后得到了 K3C60， 惊喜的发现它的超导临界温度达到了 18K[24]。 各国科学家相继研究了 C60的不同金属的掺杂， 使得对超导体的研究取得很大进展。 掺杂 C60超导体的发现对能源技术具有突破性的影响，这种超导体拥有良好的性能以及仅次于氧化物陶瓷超导体的临界温度，使其在超导计算机电子屏蔽、超导磁选矿技术、长距离电力输送、磁悬浮列车以及超导超级对撞机等更多领域中应用。

　　除此之外， 富勒烯 C60及其衍生物材料在原子级光开关、电泳显示、隧道二极管、双层电容器、光电成像、润滑剂、表面涂层、增强金属强度、气体储存、气体分离等领域也有广泛应用。

　　7 结语与展望

　　富勒烯 C60及其衍生物材料应用研究是富勒烯研究领域的重要组成部分，其独特的性能受到广泛关注， 今后富勒烯 C60及其衍生物材料的发展方向和研究热点主要体现在以下几个方面。

　　1. 合成富勒烯 C60衍生物单加成和多加成的三维立体结构， 制备其不同晶态形貌的纳米材料，系统地研究富勒烯 C60及其衍生物材料的晶态形貌和性能的关系，探究其本质规律。

　　2. 深入研究富勒烯 C60及其衍生物材料在太能电池、非线性光学性能、光电转换性能、疏水材料、药物载体、生物传感器、抗氧化性和超导材料等方面应用，以期获得性能优异的 C60及其衍生物新材料。

　　3. 进一步开拓和探索富勒烯 C60及其衍生物材料应用研究领域。 随着科学研究的不断深入，相信不久的将来富勒烯 C60及其衍生物材料的应用前景更为广阔。

　　参考文献：

　　[1]H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, et al. C60: Bu-ckminsterfullerene[J]. Nature, 1985, 318(6042): 162-163.

　　[2]S. H. Friedman, D. L. Decamp, R. P. Sijbesma, et al.Inhibition of the HIV-1 Protease by Fullerene Derivatives:Model Building Studies and Experimental Verification [J].J. Am. Chem. Soc, 1993, 115(15): 6506-6509.

　　[3]A. Hirsch. Fullerene Polymers[J]. Adv. Mater, 1993, 5(11):859-861.