富勒烯:單質碳被發現的第三種同素異形體-中文百科頻道

基本簡介

科學家們發現，除金剛石、石墨外，還有一些新的以單質形式存在的碳。其中發現較早并已在研究中取得重要進展的是C60分子。

C60分子是一種由60個碳原子構成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。（C60這種物質是由C60分子組成的，而不是由原子構成的。）

C60是單純由碳原子結合形成的穩定分子，它具有60個頂點和32個面，其中12個為正五邊形，20個為正六邊形。其相對分子質量約為720。

處于頂點的碳原子與相鄰頂點的碳原子各用近似于sP2雜化軌道重疊形成σ鍵，每個碳原子的三個σ鍵分别為一個五邊形的邊和兩個六邊形的邊。碳原子雜化軌道理論計算值為sp2.28，每個碳原子的三個σ鍵不是共平面的，鍵角約為108°或120°，因此整個分子為球狀。每個碳原子用剩下的一個p軌道互相重疊形成一個含60個π電子的閉殼層電子結構，因此在近似球形的籠内和籠外都圍繞着π電子雲。分子軌道計算表明，足球烯具有較大的離域能。C60具有金屬光澤，有許多優異性能，如超導、強磁性、耐高壓、抗化學腐蝕、在光、電、磁等領域有潛在的應用前景。

碳納米管是典型的富勒烯，又稱巴基管，是一種管狀結構的碳原子簇，直徑約幾納米，長約幾微米。據理論計算，碳納米管纖維的強度是鋼的100倍，而質量僅為鋼的1/7，如果能做成碳纖維，将是理想的輕質高強度材料。碳納米管還具有極強的儲氣能力，可以在燃料電池儲氫裝置上。

命名信息

克羅托等人之所以能夠勾畫出C60的分子結構，富勒的啟示起了關鍵性作用，因此他們一緻建議，用布克米尼斯特·富勒（BuckminsterFuller）的姓名加上一個詞尾-ene來命名C60及其一系列碳原子簇，稱為Buckminsterfullerene，簡稱Fullerene，中譯名為富勒烯。

為什麼要在Fuller的後面加上一個詞尾-ene呢?這是考慮到C60分子和苯及其衍生物一樣，都具有芳香族的結構，具有不飽和性，而在英文中，對具有不飽和性的化合物的命名常常帶有詞尾-ene，于是便産生了Fullerene這個名稱，中譯名裡對帶詞尾-ene的化合物常被譯成烯，于是，Fullerene的中譯名就是富勒烯。

由于C60分子的形狀和結構酷似英國式足球（soccer），所以又被形象地稱為Soccerene（同樣帶有詞尾-ene），中譯名為“足球烯”。還有人用富勒的名字（Buckminster）的詞頭Buck來命名，稱為Buckyball，中譯名為“巴基球”。

對于将C60及其一系列碳原子簇稱為烯，在化學界是有争議的，因為根據有機化學系統命名原則，烯表示含雙鍵的烴，而C60及其一系列碳原子簇是完全由碳原子組成的單質，并不是一種化合物，當然也不是烯烴。因此，有些化學家不同意使用富勒烯這個名稱。可是，在命名這個問題上曆來都有尊重約定俗成的習慣，也許細說起來富勒烯這個名稱有它不合理和可以探讨的地方，但是由于約定俗成的原因，書籍和文獻中仍都采用Fullerene這個名稱。

有人建議稱C60及其一系列碳原子簇為“球碳”，理由是它們是由碳元素組成的球形分子；有人建議稱為“籠碳”，理由是它們是一種中空的籠形分子；還有人建議把“球碳”、“籠碳”和“富勒”綜合起來，稱為“富勒球碳”、“富勒籠碳”。總而言之，在C60及其一系列碳原子簇的命名上，真稱得上百家争鳴了，但迄今為止，還沒有一種令大家都滿意的名稱。

制備與提純

制備

大量低成本地制備高純度的富勒烯是富勒烯研究的基礎，自從克羅托發現C以來，人們發展了許多種富勒烯的制備方法。較為成熟的富勒烯的制備方法主要有電弧法、熱蒸發法、燃燒法和化學氣相沉積法等。

電弧法

一般将電弧室抽成高真空，然後通入惰性氣體如氦氣。電弧室中安置有制備富勒烯的陰極和陽極，電極陰極材料通常為光譜級石墨棒，陽極材料一般為石墨棒，通常在陽極電極中添加铢、鎳、銅或碳化鎢等作為催化劑。當兩根高純石墨電極靠近進行電弧放電時，炭棒氣化形成等離子體，在惰性氣氛下小碳分子經多次碰撞、合并、閉合而形成穩定的C及高炭富勒烯分子，它們存在于大量顆粒狀煙灰中，沉積在反應器内壁上，收集煙灰提取。電弧法非常耗電、成本高，是實驗室中制備空心富勒烯和金屬富勒烯常用的方法。

燃燒法

苯、甲苯在氧氣作用下不完全燃燒的碳黑中有C和C，通過調整壓強、氣體比例等可以控制C與C的比例，這是工業中生産富勒烯的主要方法。

提純

C和C及衍生物的混合物的高效液相色譜圖，HPLC:JAILC-9104，色譜柱:COSMOSILBUCKYPREP20mm（ID）X250mm，淋洗劑:甲苯，流速:6mL/min

富勒烯的純化是一個獲得無雜質富勒烯化合物的過程。制造富勒烯的粗産品，即煙灰中通常是以C為主，C為輔的混合物，還有一些同系物。決定富勒烯的價格和其實際應用的關鍵就是富勒烯的純化。實驗室常用的富勒烯提純步驟是：從富含C和C的煙塵中先用甲苯索氏提取，然後紙漏鬥過濾。蒸發溶劑後，剩下的部分（溶于甲苯的物質）用甲苯再溶解，再用氧化鋁和活性碳混合的柱色譜粗提純，第一個流出組分是紫色的C溶液，第二個是紅褐色的C，此時粗分得到的C或C純度不高，還需要用高效液相色譜來精分。

永田（Nagata）發明了一項富勒烯的公斤級純化技術。該方法通過添加二氮雜二環到C、C等同系物的1、2、3-三甲基苯溶液中。DBU隻會和C以及更高級的同系物反應，并通過過濾分離反應産物，而富勒烯C與DBU不反應，因此最後得到C的純淨物；其他的胺化合物，如DABCO，不具備這種選擇性。

C可以與環糊精以1:2的比例形成配合物，而C則不行，一種分離富勒烯的方法就是基于這個原理，通過S-S橋固定環糊精到金顆粒膠體，這種水溶性的金/環糊精的複合物[Au/CD]很穩定，與不水溶的煙灰在水中回流幾天可以選擇性地提取C，而C組分可以通過簡單的過濾得到。将C從[Au/CD]複合物中分離是通過向環糊精水溶液加入對環糊精内腔具有高親和力的金剛烷醇使得C與[Au/CD]複合物分離而實現C的提純，分離後通過向[Au/CD/ADA]的複合物中添加乙醇，再蒸餾，實現試劑的循環利用。50毫克[Au/CD]可以提取5毫克富勒烯C。後兩種方法都隻停留在實驗室階段，并不實用。

結構

在數學上，富勒烯的結構都是以五邊形和六邊形面組成的凸多面體。最小的富勒烯是C，有正十二面體的構造。沒有22個頂點的富勒烯，之後都存在C的富勒烯，n=12、13、14……所有富勒烯結構的五邊形個數為12個，六邊形個數為n-10。

C60

C和C的循環伏安曲線測試機器：Chi660d，工作電極：玻碳，對電極：鉑絲；參比電極：銀絲；支持電解質：六氟磷酸四丁基铵；掃描速度：50mV/s；室溫

因為C是富勒烯家庭中相對最容易得到、最容易提純和最廉價的各類，因此C及其衍生物是被研究和應用最多的富勒烯。

通過質譜分析、X射線分析後證明，C的分子結構為球形32面體，它是由60個碳原子通過20個六元環和12個五元環連接而成的具有30個碳碳雙鍵的足球狀空心對稱分子，所以，富勒烯也被稱為足球烯。C是高度的I對稱，高度的離域大π共轭，但不是超芳香體系，他的核磁共振碳譜隻有一條譜線，但是它的雙鍵是有兩種，它有30個六元環與六元環交界的鍵，叫[6,6]鍵，60個五元環與六元環交界的鍵，叫[5,6]鍵。[6,6]鍵相對[5,6]鍵較短，C的X射線單晶衍射數據表明，[6,6]鍵長是135.5皮米，[5,6]長鍵是146.7皮米，因此[6,6]有更多雙鍵的性質，也更容易被加成，加成産物也更穩定，而且六元環經常被看作是苯環，五元環被看作是環戊二烯或五元軸烯。C有1812種個異構體。

C及其相關C兩者都滿足這種所謂的孤立五角規則（IPR）。而C的異構體中有24個滿足孤立五角規則的，而其他的51568個異構體則不滿足孤立五角規則，這51568為非五角孤立異構體，而不滿足孤立五角規則的富勒烯迄今為止隻有幾種富勒烯被分離得到，比如分子中兩個五邊形融合在頂尖的一個蛋形籠狀内嵌金屬富勒烯TbNaC。或具有球外化學修飾而穩定的富勒烯如CC，以及CH。

理論計算表明C的最低未占據軌道（LUMO）軌道是一個三重簡并軌道，因此它可以得到至少六個電子，常規的循環伏安和差示脈沖伏安法檢測隻能得到4個還原電勢，而在真空條件下使用乙腈和甲苯的1:5的混合溶劑可以得到六個還原電勢的譜圖。

C70

理論計算表明C的LUMO軌道是一個二重簡并軌道，不過它的LUMO+1軌道與LUMO軌道的能級差很小，因此它可以得到至少六個電子，常規的循環伏安和差示脈沖伏安法檢測隻能得到4個還原電勢，而在真空條件下使用乙腈和甲苯的1：5的混合溶劑可以得到六個還原電勢的譜圖。

低對稱性富勒烯

低對稱性富勒烯的鍵長是不一樣的，雖然也是離域π鍵，從核磁共振碳譜可以清楚看出來有很多條碳信号。

手性

一些富勒烯是D對稱性的，因此他們是有固有手性的，如C、C、C和C等，科學家一直緻力于發展特别的傳感器來識别和分離他們的對映異構體。

種類

自從1985發現富勒烯之後，不斷有新結構的富勒烯被預言或發現，并超越了單個團簇本身。

巴基球團簇：最小的是C（二十烷的不飽和衍生物）和最常見的C；

碳納米管：非常小的中空管，有單壁和多壁之分;在電子工業有潛在的應用；

巨碳管：比納米管大，管壁可制備成不同厚度，在運送大小不同的分子方面有潛在價值；

聚合物：在高溫高壓下形成的鍊狀、二維或三維聚合物。

納米“洋蔥”：多壁碳層包裹在巴基球外部形成球狀顆粒，可能用于潤滑劑；

球棒相連二聚體：兩個巴基球被碳鍊相連；

富勒烯環。

巴克球

DFT計算得到C的電子基态在整個球上等值的

2007年科學家們預測了一種的新的硼巴克球，它用硼取代了碳形成巴克球，B的結構是每個原子都形成五或六個鍵，它比C穩定。另外一種常見的富勒烯是C，72、76、84甚至100個碳組成的巴克球也是很容易得到的。

碳納米管

主條目：碳納米管

納米管是中空富勒烯管。這些碳管通常隻有幾個納米寬，但是他們的長度可以達到1微米甚至1毫米。碳納米管通常是終端封閉的，也有終端開口的，還有一些是終端沒有完全封口的。碳納米管的獨特的分子結構導緻它有奇特的宏觀性質，如高抗拉強度、高導電性、高延展性、高導熱性和化學惰性（因為它是圓筒狀或“平面狀”，沒有裸露原子被輕易取代）。一個潛在應用是做紙電池，這是2007年倫斯勒理工學院的一個新發現。另外一個可能應用是用做太空電梯的高強度碳纜。通過共價鍵将富勒烯吸附在碳納米管外形成的納米“芽”結構稱作納米芽。

富勒體

C的晶體形态

富勒體（掃描電子顯微鏡圖）

主條目：聚合鑽石納米棒

富勒體（Fullerites）是富勒烯及其衍生物的固态形态的稱呼，中文一般不特别稱呼這個形态。超硬富勒體這個詞一般被用來表述使用高壓高溫得到的富勒體，這種條件下普通的富勒烯固體會形成鑽石形式的納米晶體，它有相當高的機械強度和硬度。

内嵌富勒烯

内嵌富勒烯是将一些原子嵌入富勒烯碳籠而形成的一類新型内嵌富勒烯，如氫、碳、钪、氮等，大部分是在電弧法制造富勒烯的過程中形成的，也可以通過化學方法将富勒烯打開孔後裝入一些原子或分子。

主條目：金屬富勒烯

性質

溶解性

C溶液

富勒烯在大部分溶劑中溶得很差，通常用芳香性溶劑，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶劑二硫化碳溶解。純富勒烯的溶液通常是紫色，濃度大則是紫紅色，C的溶液比C的稍微紅一些，因為其他在500nm處有吸收；其他的富勒烯，如C、C等則有不同的紫色。富勒烯是迄今發現的唯一在室溫下溶于常規溶劑的碳的同素異性體。

有些富勒烯是不可溶的，因為他們的基态與激發态的帶寬很窄，如C，C和C。C也是幾乎不溶的，但是C的内嵌富勒烯，如La2@C是可溶的，這是因為金屬元素與富勒烯的相互作用。早期的科學科學家對于沒有發現C很是疑惑，但是卻有C的内嵌富勒烯。窄帶寬的富勒烯活性很高，經常與其他富勒烯結合。化學修飾後的富勒烯衍生物的溶解性增強很多，如PCBM室溫下在氯苯中的溶解度是50mg/mL。C和C在一些溶劑的溶解度列于左表，這裡的溶解度通常是飽和濃度的估算值。

水合富勒烯（HyFn）

CHyFn水溶液，C的濃度是0.22mg/mL

水合富勒烯CHyFn是一個穩定的，高親水性的超分子化合物。截止2010年以水合富勒烯形式存在的，最大的C濃度是4mg/mL。

導電性超導

在可以大量生産C後其很多性質被發現，很快Haddon等人發現堿金屬摻雜的C有金屬行為，1991年發現鉀摻雜的C在18K時有超導行為這是迄今最高的分子超導溫度，之後大量的金屬摻雜富勒烯的超導性質被發現。研究表明超導轉化溫度随着堿金屬摻雜富勒烯的晶胞體積而升高。铯可以形成最大的堿金屬離子，因此铯摻雜的富勒烯材料被廣泛研究，有報道Cs3CAs在38K時超導性質，不過是在高壓下。常壓下33K時具有最高超導轉化溫度的是CsRbC。

C固體超導性的BCS理論認為，超導轉變溫度随着晶胞體積的增加而升高，因為C分子間的間隔與費米能級N（ε）的态密度的升高相關，因此科學家們做了大量的工作試圖增加富勒烯分子間的距離，尤其是将中性分子插入A3C晶格中來增加間距同時保持C的價态不變。不過，這種氨化技術意外地得到了新奇的富勒烯插入複合物的特别的性質：Mott-Hubbard轉變以及C分子的取向/軌道有序和磁結構的關系。C固體是由弱相互作用力組成的，因此是分子固體，并且保留了分子的性質。一個自由的C分子的分立能級在固體中隻是很弱的彌散，導緻固體中非重疊的帶間隙很窄，隻有0.5eV。

未摻雜的C固體，5倍h帶是其HOMO能級，3倍的t帶是其空的LUMO能級，這個系統是帶禁阻的。但是當C固體被金屬原子摻雜時，金屬原子會給t帶電子或是3倍的t帶的部分電子占據有時會呈現金屬性質。雖然它的t帶是部分占據的，按照BCS理論AC的t帶是部分占據的應該有金屬性質，但是它是一個絕緣體，這個矛盾可能用Jahn-Teller效應來解釋，高對稱分子的自發變形導緻了它的兼并軌道的分裂從而得到了電子能量。這種Jahn-Teller型的電子-聲子作用在C固體中非常強以緻于可以破壞了特定價态的價帶圖案。窄帶隙或強電子相互作用以及簡并的基态對于理解并解釋富勒烯固體的超導性非常重要。

電子相互斥力比帶寬大時，簡單的Mott-Hubbard模型會産生絕緣的局域電子基态，這就解釋了常壓時铯摻雜的C固體是沒有超導性的。電子相互作用驅動的t1u電子的局域超過了臨界點會生成Mott絕緣體，而使用高壓能減小富勒烯相互間的間距，此時铯摻雜的C固體呈現出金屬性和超導性。

關于C固體的超導性還沒有完備的理論，但是BCS理論是一個被廣泛接受的理論，因為強電子相互作用和Jahn-Teller電子-聲子偶合能産生電子對，從而得到較高的絕緣體-金屬轉變溫度。

熱力學性質

差示掃描量熱法（DSC）表明C在256K時發生相變，熵為27.3J.K.mol，歸因于其玻璃形态-晶體轉變，這是典型的導向無序的轉變。相似地，C在275K、321K和338K也發生無序轉變，總熵為22.7J.K.mol。富勒烯的寬的無序轉變與從起始較低的溫度的類跳躍式旋轉向各向同性的旋轉漸變有關。

化學性質

C的網絡結構

C中一個五元環周圍有五個六元環

富勒烯是穩定的，但并不是完全沒有反應性的。石墨中sp雜化軌道是平面的，而在富勒烯中為了成管或球其是彎曲的，這就形成了較大的鍵角張力。當它的某些雙鍵通過反應飽和後，鍵角張力就釋放了，如富勒烯的[6,6]鍵是親電的，将sp雜化軌道變為sp雜化軌道來減小鍵張力，原子軌道上的變化使得該鍵從sp的近似120°成為sp的約109.5°，從而降低了C球的吉布斯自由能而穩定。富勒烯即可以形成單加成産物，也可以形成多加成産物。富勒烯化學是研究富勒烯的化學性質的科學。

功能化富勒烯從而調節其性質的需求促使人們在這個領域展開了大量的研究。例如，富勒烯的溶解度很差，而添加合适的官能團可以提高其溶解度。通過添加一個可以發生聚合的官能團，就可以獲得富勒烯聚合物。富勒烯的功能化以分為兩類：在富勒烯的籠外進行化學修飾；将分子束縛到富勒烯球内，也就是開孔反應。

因為這個分子的球形結構使碳原子高度棱錐體化，這對其反應活性有深遠的影響。據估計，其應變能相當于80%反應熱能。共轭碳原子平行性影響雜化軌道sp²，一個獲得p電子的sp軌道。p軌道的互相連結擴大在外球面更勝于其内球（碳原子之間以sp雜化軌道連結，另一個p電子兩兩形成pi鍵，還有pi電子形成近似球的複雜pi-pi共轭體系），這是富勒烯是給電體的一個原因；另一個原因是，空的低能級pi軌道上。

富勒烯中的雙鍵不都相同。大緻可分為兩種：[6,6]鍵，連接兩個六邊形的鍵，[5,6]鍵連接一個六邊形和五邊形。兩者中[6,6]鍵比環狀六邊形聚合物（cyclohexatriene）分子中的[6,6]鍵和軸烯與二環并戊二烯分子中的雙鍵更短。換句話說，雖然富勒烯分子中的碳原子都是超共轭，但富勒烯卻不是一個超大的芳香化合物。

C有60個pi電子，但封閉殼體系結構需要72個電子。富勒烯能夠通過與鉀的反應獲得缺失電子，如首先合成的KC鹽和接着合成的KC鹽；在這種化合物中，分子中鍵長交替的現象消失了。根據IUPAC的規定，亞甲基富勒烯（也稱環丙烷富勒烯，methanofullerene）指閉環（環丙烷）富勒烯衍生物，而fulleroid指開環富勒烯衍生物（亞甲基橋輪烯，methanoannulene）富勒烯往往可以發生親電反應，這類反應的關鍵是功能化單加成反應（monoaddition）或多加成反應（multipleaddition）。

親核加成

在親核加成中富勒烯作為一個親電試劑與親核試劑反應，它形成碳負離子被格利雅試劑或有機锂試劑等親核試劑捕獲。例如，氯化甲基鎂與C在定量形成甲基位于的環戊二烯中間的五加成産物後，質子化形成(CH)HC。賓格反應也是重要的富勒烯環加成反應，形成亞甲基富勒烯。富勒烯在氯苯和三氯化鋁的作用下可以發生傅氏烷基化反應，該氫化芳化作用的産物是1，2加成的(Ar-CC-H)。

周環反應

富勒烯的[6,6]鍵可以與雙烯體或親雙烯體反應，如D-A反應。[2+2]環加成可以形成四元環，如苯炔。[[[1,3]偶極環加成]]反應可以生成五元環，被稱作Prato反應。富勒烯與卡賓反應形成亞甲基富勒烯。

加氫（還原）反應

氫化富勒烯産物如CH、CH。然而，完全氫化的CH僅僅是假設産物，因為分子張力過大。高度氫化後的富勒烯不穩定，而富勒烯與氫氣直接在高溫條件下反應會導緻籠結構崩潰，而形成多環芳烴。

氧化反應

富勒烯及衍生物在空氣中會被慢慢的氧化，這也是通常情況下富勒烯需要在避光或低溫中保存的原因。富勒烯與三氧化锇和臭氧等反應；與臭氧的反應很快很劇烈，可以生成羟基多加成的富勒醇混合物，因為加成數和加成位置有很寬的分布。

羟基化反應

富勒烯可以通過羟基化反應得到富勒醇，其水溶性取決于分子中羟基數的多少。一種方法是富勒烯與稀硫酸和硝酸鉀反應可生成C(OH)，另一種方法是在稀氫氧化鈉溶液的催化下反應由TBAH增加24到26個羟基。羟基化反應也有過用無溶劑氫氧化鈉與過氧化氫和富勒烯反應的報道。用過氧化氫與富勒烯的反應合成C(OH)，羟基的最大數量,可以達到36至40個。

親電加成

富勒烯也可以發生親電反應，比如在富勒烯球外加成24個溴原子，最多親電加成紀錄保持者是CF。

配位反應

富勒烯的五元環和六元環可以作為金屬配合物的配體，尤其是五元環，可以形成各種茂配合物。[6,6]雙鍵是缺電子的，通常與金屬成鍵為η=2（配位化學中的哈普托數）。鍵合模式如η=5或η=6與球狀富勒烯配體有關。陽光直接照射富勒烯和硫羰基鎢W(CO)的環己烷溶液生成(η²-C)W(CO)。

開孔反應

開孔反應是指通過化學手段選擇性地切斷富勒烯骨架上的碳碳鍵來制備開孔富勒烯的反應，開孔後就可能把一些小分子裝到碳球中，如氫分子、氦、锂等。第一個開孔富勒烯是在1995由伍德等報道的。

超分子化學

将富勒烯和其它一些功能基團有效的通過非共價作用聯結在一起形成具有特定結構的超分子體系，進而通過調控各個基團之間的電子相互作用實現其功能化的研究引起了研究者們的極大興趣。

裸C的主客體化學

由于C分子獨特的剛性球狀結構，發展能夠與其高效結合的特定主體是一件很有意義的工作，二十多年來科學家們樂此不疲地用新奇的化合物和有趣的方式将其包起來得到包含物和嵌合物，在富勒烯的主客體化學方面進行了大量的研究并取得了長足的進展，發展了一系列主體化合物，大緻分為富π電子化合物和大環主體兩類；前者有二茂鐵、卟啉、酞菁、四硫富瓦烯、苝、碗烯和帶狀多共轭體系等的衍生物，後者有環糊精、杯芳烴、氮雜杯芳烴，長鍊烷烴和低聚物等的衍生物。迄今與富勒烯分子超分子結合力最強的是相田卓三教授合成的卟啉籠分子，在鄰二氯苯中與C的結合常數為LogKa=8.11。

C衍生物超分子的自組裝

修飾富勒烯可以獲得更多的作用位點，因此富勒烯衍生物的超分子自組裝的研究一直是個熱點，遠遠多于不修飾的富勒烯的組裝，特别是在基于富勒烯的功能材料、光緻電子轉移、人工光合作用體系、光子器件等諸多的研究領域。

C及其衍生物的有序聚集态的制備方法

富勒烯功能化後産生的自組裝前體，通過超分子作用形成有序聚集态結構，既是提高對富勒烯本征認識以及單分子器件構築水平，也是對富勒烯高新技術功能化材料的需要。十多年來，很多研究組已經在獲得穩定的C納米材料如納米顆粒、納米管、納米線、納米帶和高度有序二維結構等方面進行了大量的研究，發展了經典自組裝法、模闆法、氣相沉積法，化學吸附和LB膜技術等方法來構築具有特定形貌的有機納米材料。

安全性和毒性

摩薩（Moussa）等人做了在生物體腹腔内注射大劑量C後的毒理研究後發現，沒有證據表明白鼠在注射5000mg/kg（體重）的C劑量後有中毒現象。摩利（Mori）等人也沒有發現給齧齒動物口服C和C混合物2000mg/kg的劑量後有中毒、遺傳毒性或誘變性現象，其他人的研究同樣證明C和C是無毒的，而伽比（Gharbi）等人發現注射C懸浮液不會導緻對齧齒類動物的急性或亞急生毒性，相反一定劑量的C會保護他們的肝免受自由基傷害。

2012年的最新研究表明，口服富勒烯能将小鼠的壽命延長一倍而沒有任何副作用。摩薩（Moussa）教授研究C的性質長達18年，着有《持續喂服小鼠C使其壽命延長》一文，2012年10月他在一次視頻采訪中宣稱，純C沒有毒性。

科拉森加（Kolosnjaj）于2007年寫了篇複雜且詳盡的關于富勒烯的毒性的綜述，回顧了上世紀90年代早期至今的所有富勒烯的毒性研究的工作，認為自富勒烯發現以來都沒有明顯的證據表明C是有毒性的，而波蘭（Poland）等人将碳納米管注射到小鼠的腹腔中發現了石棉狀的病竈。值得注意的是這項研究不是吸入性研究；雖然在這之前有對納米管的吸入性研究的毒理實驗，因此，憑此項研究還不能确認碳納米管有類似石棉的毒理特性。

薩耶等人發現小鼠吸入C（OH）或納米C并沒有毒副作用，而同樣情況下将石英顆粒注入小鼠則引起強烈的炎症。如上所述，納米管在分子量、形狀、尺寸等化學和物理性質（溶解度）方面都與C迥然不同，因此從毒理學的角度來看，C和碳納米管的不同毒理學性質的差異性沒有關聯性。在分析毒性數據時，必須區别富勒烯的不同分子：（C、C……）；富勒烯衍生物：C或其他化學修飾的富勒烯衍生物；富勒烯複合物（比如，表面活性劑輔助的水溶性富勒烯，如C-聚乙烯基吡咯烷酮；主客體複合物，如與環糊精或卟啉），這種情況下富勒烯是與其他分子是通過超分子作用與其他分子連接的；C納米顆粒。

結構

克羅托受建築學家理查德·巴克明斯特·富勒（RichardBuckminsterFuller，1895年7月12日~1983年7月1日）設計的美國萬國博覽館球形圓頂薄殼建築的啟發，認為C60可能具有類似球體的結構，因此将其命名為buckminsterfullerene（巴克明斯特·富勒烯，簡稱富勒烯,又名巴基球或巴克球（Buckyball），其他名稱還有球碳與芙)，

富勒烯是一系列純碳組成的原子簇的總稱。它們是由非平面的五元環、六元環等構成的封閉式空心球形或橢球形結構的共轭烯。現已分離得到其中的幾種，如C60和C70等。在若幹可能的富勒烯結構中C60，C240，C540和直徑比為1:2:3。C60的分子結構的确為球形32面體，它是由60個碳原子以20個六元環和12個五元環連接而成的具有30個碳碳雙鍵（C=C）的足球狀空心對稱分子，所以，富勒烯也被稱為足球烯。

球體直徑約為710pm，即由12個五邊形和20個六邊形組成。其中五邊形彼此不相聯接隻與六邊形相鄰。與石墨相似，C60中每個碳原子與周圍三個碳原子形成三個σ鍵，C-C-C夾角為116°，三個σ鍵角總和為348°，而不是平面三角形的360°，故為球面，由雜化軌道理論計算：C原子是采取sp2.28雜化，用三個雜化軌道形成σ鍵，每個C原子剩下的一個軌道（s0.09P0.90）與球面成101.6°，形成離域Π鍵，故具有芳香性。

(補充：C60雙鍵數的計算方法

由于每個孤立的碳原子周圍有三個鍵（一個雙鍵，兩個單鍵）。而每個鍵卻又是兩個碳原子所共有，因此棱數=60×3×（1/2）=90

由于單鍵數+雙鍵數=總棱邊數單鍵數=2×雙鍵數（即單鍵數為雙鍵數的2倍）

設單鍵數為a個，雙鍵數為b個，則

a+b=90a=2b所以b=30）

流行文化

在流行文化中的富勒烯元素很多，并且在科學家關注它們之前就出現了。在《新科學家》雜志中，曾經每周有瓊斯（DavidE.H.Jones）寫的叫做《地達拉斯》（Daedalus）的專欄來描述各種有趣但很難實現的科學和技術。1966年，他建議可能通過摻雜雜原子來扭曲一個平面的六邊形組成的網來得到一個中空的碳球分子。

2010年9月4日，谷歌的首頁上用一個旋轉的C60富勒烯取代了GOOGLE圖案中的第二個"O"來慶祝富勒烯發現25周年。

應用

生物制藥：診斷試劑、超級治療藥物、化妝品、核磁共振用顯影液。

能源領域：太陽電池、燃料電池、二次電池。

工業領域：耐磨材料、阻燃材料、潤滑劑、聚合物添加劑、高性能薄膜、催化劑、人工鑽石、超硬合金、電子粘性流體、印油、高性能塗料、防火塗料等。

信息産業：半導體紀錄媒介、磁性材料、印刷油墨、墨粉、墨、特殊用途紙張。

電子部件：超導材料、二極管、晶體管、誘導體。

光學材料：電子照相、熒光顯示管、非線性光學材料。

環境領域：氣體吸附、氣體儲存。

有機太陽能電池：自1995年俞剛博士将富勒烯的衍生物pcbm（[6,6]-phenyl-c61-butyricacidmethylester）用于本體異質結有機太陽能電池以來，有機太陽能電池得到了長足的發展，其中有三家公司已經将參雜PCBM的有機太陽能電池商用。

工業

富勒烯是一種新發現的工業材質，它的特性：

1.硬度比鑽石還硬

2.轫度(延展性)比鋼強100倍

3.它能導電，導電性比銅強，重量隻有銅的六分之一

4.它的成分是碳，所以可從廢棄物中提煉

可想像我們的未來生活中将有“無金屬電線”“富勒烯(非金屬)鋼筋的建築物”“富勒烯防彈背心”“富勒烯汽車殼”構想中的“東京灣金字塔城”亦将富勒烯列為主要建材，納米巴克管(富勒烯)分子可無限延伸(巴克管長度越長，其原子數越多，所以巴克管的原子數不一定是C60)，且巴克管分子是碳原子自動組合而成。

電、光、磁

C60本身的對稱性決定了C60自身有非線性光學性質。作為一種新的化合物，研究其電、磁、光等應用是非常重要的，實際上C60就是因為摻雜堿金屬在一定條件下具有超導電性，其電荷轉移複合物有鐵磁性而引起人們極大興趣和關注。

1991年北京大學化學系和物理系在國内首次獲得了K3C60和Rb3C60超導體，超導轉變溫度為18K和28K，其超導相達75%，達到了當時國際先進水平。1993年他們成功制備了K3C60外延超導膜，其Tc=21K，Jc=5×10A/cm。1994年後有關C60超導研究，國内外都處于更深入的艱難階段。C60的磁學研究實際上從其超導性開始的。

C60家族分子是三維π電子離域的化合物，有良好的非線性光學效應。北京大學測定了C60、C70的非線性光學系數，并利用飛秒技術研究了C60的光克爾效應，證實了C60的非線性效應起源于的π電子，并研究了C60電荷轉移複合物的非線性性質。在研究C60甲苯溶液的光限制效應時，他們首先發現了反飽和吸收過程的飽和現象，并給出了理論解釋。中科院化學研究所在對C60進行化學修飾後進行PVK摻雜，發現了一全新的光導體體系，此體系暗導小，放電迅速，且完全具有重要的潛在應用價值。另外，他們還發現了一類新的光限幅材料，此材料在線性透過率高達80%的條件下，其限幅幅值為300mJ/cm，具有潛在實用價值。

物理性質的應用

潤滑劑和研磨劑C60具有特殊的圓球形狀，是所有分子中最圓的分子；另外，C60的結構使其具有特殊的穩定性。在分子水平上，單個C60分子是異常堅硬的，這使得C60可能成為高級潤滑劑的核心材料。C60分子一出世，就有人提議用它來作“分子滾珠”，制成潤滑劑。将C60完全氟化得到的C60F60是一種超級耐高溫材料，這種白色粉末狀物質是比C60更好的優良潤滑劑，可廣泛應用于高技術領域。

另外，C60分子的特殊形狀和極強的抵抗外界壓力的能力使其有希望轉化成為一類新的超高硬度的研磨材料。一種有希望的方法是将C60直接轉化為金剛石，這可通過在室溫下加高壓來實現。1992年初，法國格雷諾布爾（Grenoble）低溫研究中心的雷古埃羅等人在英國《自然》雜志上報道。

通過在室溫下對C60分子施以壓強達200億帕的快速非靜壓，可将其瞬間轉化為大量人工鑽石晶體。雷古埃羅等已為這種由C60快速有效生産金剛石的方法申請了專利，這使得C60可作為一種研磨材料而具有潛在應用價值，人們可以采用爆炸或其他沖擊波的方法對富勒烯施加高壓，生産出符合工業标準的低成本金剛石。

CVD金剛石膜

富勒烯的另一潛在的應用是它們可作為金剛石薄膜生長的均勻成核位置而起重要作用。富勒烯材料的獨特性質之一是它們在較低溫度下升華，對于C60，其升華點大約是600℃，這使得富勒烯在不規則形狀表面上的氣體沉積複蓋相對來說很容易實現。另外，由于富勒烯易溶于像苯和甲苯這樣的極性有機分子溶劑，因而可以在室溫下将複雜表面直接浸于制備好的溶液中，待溶劑揮發後就留下一層富勒烯分子薄膜。

1992年，美國西北大學的一個研究小組聲稱他們發現了一種用富勒烯結晶出金剛石薄膜的簡單方法。他們使用包含C70分子的富勒烯，先在矽表面形成富勒烯薄層，然後用帶電粒子轟擊它，導緻有利于金剛石形成的分子結構，使用化學氣相沉積（CVD）方法，通過天然氣與氫氣的混合氣體，形成許多微小的金剛石。科學家預測，對這種方法加以改進也許能夠生長出電子應用中所需要的類似大塊單晶的金剛石薄膜，這将使得生長金剛石單晶的夢想成為現實。據說在多晶體生長中，C70的應用使得在矽表面襯底上金剛石的生成提高了10個量級。

金剛石薄膜在軍事方面具有許多應用價值，如作為裝甲車表面的抗沖擊複蓋層，用于制成光學（X射線，粒子束）窗口，半導體晶片，高硬度表面齒輪，金剛石-纖維合成材料，以及高溫和防輻射電子器件等。

高強度碳纖維

1991年日本電氣公司的飯島發現了一種管狀碳——巴基管，巴基管具有獨特的幾何結構和奇妙的導電性質，同時具有高抗張強度和高度熱穩定性。巴基管的這種特殊的電學和機械性能使其具有巨大的應用價值。高性能纖維對于要求很高的強度-重量比的結構設計産生了革命性的影響，尤其是在需要耐高溫，或者在能控制材料的電磁性能的應用領域。石墨纖維已具有很高的強度、很強的柔韌性以及耐高溫性能。

巴基管材料具有高度的熱穩定性和易變性，而且比碳素纖維具有更大的抗張強度，加之其導電性能可由其結構加以調節，因而巴基管是一種比石墨纖維性能更優越的碳纖維，甚至還可能發展出強度更高、更輕巧的結構，這樣使得巴基管可能在電子器件和航空、航天等空間技術領域具有巨大的應用價值。

1993年，日本電氣公司基礎研究室的艾賈安和飯島在細微的巴基管中填入了鉛，從而制成了迄今世界上最細的絲，這種絲隻有兩三個原子那麼粗，具有納米尺度。有人推測這種巴基細絲可能在電子器件制造上得到應用。理論計算表明，巴基管可吸附大小适合其内徑的任意分子。

科學家希望通過改變石墨層片卷曲成管的方式等方法調節巴基管的直徑，使其有選擇性地吸收分子，從而改變其電子及機械性能。科學家正試圖制成單晶巴基管，并用巴基管造出分子水平的微型零件用于醫學或其它目的。富勒烯作為一種潛在的新碳素材料已得到普遍重視，其應用領域也将不斷開拓。

高能轟擊粒子

C60能夠得到或失去電子形成離子，帶電巴基球可以用作物理碰撞的高能轟擊粒子。1992年9月，法國奧塞（Or-say）核物理研究所與厄普撒拉（Uppsala）大學的研究人員用線性加速器将C60離子加速至具有近5000萬電子伏的能量。由于C60離子的質量和體積均較大，高能C60離子束轟擊固體靶時不能穿透固體，而是停留在表淺的位置，從而将大量的能量施放在固體表面，可以使固體在加速的同時獲得巨大的能量，有助于研究高能離子轟擊固體靶時産生的物理變化。C60離子轟擊實驗開創了物理碰撞研究的新領域.另外，C60離子束還有可能在分子束誘發核聚變的研究中得到應用。

富勒烯及其衍生物物理性質的應用是多方面的。早在1991年，阿萊芒等人發現C60絡合物可以在沒有金屬存在的情況下表現出鐵磁性特征，從而有希望開拓磁性記憶材料的一個新方向。用C60還能在CaAs晶體基質上制成C60-K3C60異質結膜，并可将其用于微電子器件等方面。随着研究的深入，富勒烯獨特的物理性質将為其應用開辟一個廣闊的領域。

化學性質的應用富勒烯電化學

C60具有完美對稱的足球結構，反應在其電子能級上具有較高的簡并度.理論計算表明，C60分子的電子能級簡并度最高可達五重。C60的最低未占據分子軌道（LUMO）是三重簡并的tlu态，使得C60具有很高的電負性，它能夠接受電子而形成帶負電子的陰離子。高度結構對稱性與分子軌道簡并度結合起來，使得C60分子具有非常豐富的氧化還原性質。

由于C60分子具有較高的電離勢（C60的第一電離能約為7.6eV），因此一般說來，C60的電化氧化是較為困難的，雖然也有人報道C60和C70的電化學不可逆氧化反應，但更常見的是富勒烯的電化還原.豪夫勒（R.E.Haufler）和斯莫利等首先采用循環伏安特性方法在溶液中産生了離子形式的C60。他們在實驗中使用了玻璃狀碳鈕扣電池，并用鉑絲作為反電極。C60進行的這個還原反應是可逆的，顯示出使用電化學方法生産穩定的“富勒烯化合物（fulleride）”鹽的可能性。這可能導緻新材料的發現，并可能制成一類新的可充電電池。C70和C60的電化學行為幾乎是相同的，在合适的溶劑中C60能夠被還原成六價離子，與理論預測的C60能接受6個電子于很困難的勻質大塊化合物的還原中。

巴德（A.J.Bard）等首先進行了鉑電極上C60膜的電化學研究，這種膜的電化學性質是較為複雜的，并具有不可逆性。查伯（Y.Chabre）等人采用全固态電化學電池和聚合物電解質成功地将锂摻入C60中，實驗确定在連續加入電子過程中LixC60中的x值為0，5，2，3，4和12，最後的Li∶C的比例達到相當于Li12C60即LiC5，這是Li嵌入石墨化合物中的飽和值。查伯等還研究了固态C60電極上鈉的電化學嵌入過程.C60的固态電化學研究為生産摻雜富勒烯化合物提供了新的途徑。

C60還容易發生電化學加氫反應.C60電極能夠通過氫而發生電化學充電反應，而生成的C60Hx可以以很高的效率放電。富勒烯的伯奇（Birch）還原反應和催化氫化反應得到的産物很多，有C60H18、C60H36、C60H56及完全氫化的C60H60等，還有C70的加氫産物C70H46.富勒烯加氫化合物非常穩定，具有廣闊的應用前景.利用它們能夠安全地大量收集和儲存氫的性質，作為儲存氫氣的材料，這可以應用在氫的純化、吸收、氫燃燒發動機以及氫—空氣燃料電池中。富勒烯對氫氣的存儲和釋放為研究氫的壓縮、純化、熱泵以及制冷的新方法打開了大門。

加氫富勒烯是一種碳氫化合物，可作為潔淨的燃燒迅速的燃料，有望作為火箭推進劑而用于航空航天領域。另外，利用加氫富勒烯儲氫引起的化學及熱力學性質，制成可充電電池，用來替代鎳-镉（Ni-Cd）電池中的镉電極，也可用來替代鎳-金屬氫化物電池中的金屬氫化物以儲存電能。完全氫化的富勒烯能最大限度地存儲能量。從實驗結果看，一類新的無毒、輕便、高效的富勒烯氫化物電池将很快問世。

催化劑

催化劑有着廣泛的應用，如石油精煉和化學過程等方面。富勒烯可以作為一類新的催化劑材料的基礎。斯莫利提出可以在富勒烯分子的中心空隙加入一些已知具有催化性能的金屬原子，如鉑（pt）、钯（pd）等，制成一類新的催化劑，在這種催化劑中，催化性原子被碳籠保護起來。

1992年，日本的研究人員用C60制成了一類含钯的高催化性能複合物，這是在室溫下用C60的苯溶液與钯的絡合物混合制成的，每個C60分子與6個钯原子配位。這是第一個發現的在分子水平上具有規則形狀的催化劑載體，并且已發現它能在正常溫度和壓強下催化二苯乙炔的加氫反應；這也是第一個發現的由一種材料的數個原子組成的團簇催化化學反應，因為催化劑通常隻在很大質量下才起作用。富勒烯還可以作為催化劑載體而與其他催化劑結合，催化其他的反應。假如其他類似以富勒烯為基礎的催化劑也具有如此之高的催化活性，那麼這些基于富勒烯的催化劑将在那些既需要高效率又要低質量或小體積的方面得到應用。

抗癌藥物

美國亞特蘭大埃莫裡（Emory）大學醫學院的病毒藥物學家斯辛納齊（R.F.Schinazi）和他的同事們發現，巴基球對一種關鍵性的HIV病毒酶有殺傷作用，而不傷害宿生細胞。HIV蛋白酶是一種導緻艾滋病的病毒，巴基球能夠抑制HIV的生長，使其對人類細胞失去感染作用。科學家認為，巴基球雖然不能用來治療艾滋病，但它可能具有藥用價值。這種富勒烯能夠消除HIV病毒，阻止HIV蛋白酶的作用而不損害被感染的細胞本身，它在人類被HIV感染的三種免疫細胞中具有抗病毒能力，而且還對這種病毒的反向轉錄酶起作用，因此能夠抑制HIV對細胞的感染。雖然巴基球還不能作為一種有用的藥物，但這将是巴基球在生物學上的首次應用；而且科學家認為，富勒烯将為研究抗癌藥物提供潛在而有趣的線索。

富勒烯具有十分豐富的化學内涵，富勒烯及其衍生物在化學方面的應用是十分廣闊的。除作為催化劑載體、制成高能電池及抑制病毒外，還可以利用富勒烯能有選擇性地吸收某些種類氣體的性質，将其在工業上用作氣體雜質的去除劑，此外還可以作為有機溶劑以及在醫學上作為影像劑，這方面的前景是廣闊的。

在電化學方面的應用

非線性光學器件

實驗和理論研究表明，C60和C70等富勒烯都是良好的非線性光學材料，C60/C70混合物（C70約占10%）的非線性光學系數約為1.1×10-9esu，C76甚至還具有光偏振性。富勒烯分子中不存在對非線性光學性能有幹擾作用的碳—氫鍵和碳-氧鍵，與其他非線性光學材料相比，性能更加優越。美國西北大學的研究者們發現C60薄膜具有很高的二階非線性光學系數，顯示出在非線性光學器件方面的應用價值。

C60薄膜具有很高的光學效率，這一性質使得C60在激光光學通信和光學計算機方面有着重要的潛在應用，并有望在短期内付諸實現。科學家還發現，C60和C70溶液可以作為光學限制器，這種溶液隻允許低強度的光通過，當光強增強時，溶液很快變得不透光，其飽和阈值與其他任何已知的光學限制材料相比差不多或更好。英國科學家還報道過，富勒烯被多孔礦物質俘獲并經藍色激光照射後，成為一種光緻發光材料，盡管這一工作尚沒有在其他實驗室内重複出來。

但揭示出它可能用來制作能發射任何頻率光的激光器，已經發現許多大的富勒烯分子具有手性特征，這種手征性預示着非線性光學響應的可能.生産和分離出大量的大富勒烯分子将在高階非線性光學效應方面取得突破.預計富勒烯作為一種良好的非線性光學材料可能很快投入應用。

光導體

光導材料是複印機、傳真機和激光打印機的基本部分，舊的光導材料使用硒作為感光劑，較為先進的有機光導聚合物已經代替了硒材料。美國杜邦公司的研究人員發現用1%的C60（可能是C60和C70的混合物）摻雜的PVK聚合物是一類全新的高性能光導體，類似的産品已經應用于靜電複印技術中。這種光導材料具有良好的性質，其圖象分辨率相當或優于其他材料，而壽命遠遠高于含硒材料，其性能實際上已經可以與最好的商用光導體相比拟.這使得摻雜富勒烯材料在印刷及光通信等方面将獲得巨大的應用。

超導材料

摻雜C60超導體的發現是超導領域的又一重大成果，這種超導體具有相對較高的臨界溫度，摻雜C60超導體的臨界溫度不僅遠遠高于所有的有機分子超導體，而且也大大高于以前發現的金屬和合金超導體，隻比炙手可熱的氧化物陶瓷超導體低。

如果摻雜C60超導體的臨界溫度尚不能與高溫氧化物超導體相比的話，那麼這種超導體在其他方面卻具有許多更為優越的性質，而這些性質都直接影響到超導體的實際應用.富勒烯超導體最大的優點在于這種化合物容易加工成所需要的各種形狀；同時由于它們是三維分子超導體，各向同性，使得電流可以在各個方向均等地流動。

我們知道，氧化物陶瓷超導體是一種層狀材料，表現為各向異性，在每層平面内和與平面垂直的方向上導電性質不同，同時這種陶瓷材料難于加工成線形或其他所需要的形狀，給實際應用造成困難。同時，富勒烯化合物超導體還具有較高的臨界磁場和臨界電流密度，理論分析和一些實驗結果顯示，在更大的富勒烯分子摻雜化合物中可能大幅度提高超導臨界溫度。良好的性質和潛在的高臨界溫度為富勒烯超導體的應用創造了條件。

摻雜富勒烯超導體的可能應用包括磁懸浮列車，基于約瑟夫遜結和更新更快設計原理的高速計算機開關器件、長距離電力輸送、超導發動機和發電機、作物理研究的大型磁鐵（如超導超級對撞機）、超導計算機的電子屏蔽以及基于超導量子幹涉器件（SQUID）的電子設備等方面。

摻雜的C60化合物顯示超導電性，理論計算已經證明，不摻雜的C60是一種直接能隙半導體，由于C60分子在其格點位置作高速無序自由轉動，使C60固體成為繼Si，Ge和GaAs之後的又一種新型半導體材料。日本三菱電氣公司的研究人員已經用C60制成了一種新型富勒烯半導體。随着研究的深入，富勒烯及其衍生的材料走向應用已指日可待。

C60及富勒烯家族的誕生是20世紀80年代的重大發現之一，具有重要意義的是，這些神奇的全碳分子及其衍生的物質顯示新穎奇特的物理化學性質，它們首先是作為一種可實用化的新材料而出現的。

護膚品

由于富勒烯能夠親和自由基，具有極強的抗氧化能力，能夠起到活化皮膚細胞，預防肌膚衰亡的作用。關于富勒烯在清除自由基方面的功效目前已有近3萬篇論文被發表，近3千個專利獲得了認可。正因如此，21世紀以來富勒烯開始被用作化妝品原料，具有抗皺、美白、預防衰老的卓越價值，成為備受矚目的尖端美容成分。許多高端護膚品品牌含有富勒烯成分，比如：歐蓓妮詩（obeines）逆時空修複霜、歐蓓妮詩（obeines）魔煥逆時空能量精露等。

多元體研究

富勒烯衍生物與卟啉、二茂鐵等富電子基團共價或非共價形成多元體，用于研究分子内能量、電荷轉移、光緻能量和電荷轉移。