王春儒：让“纳米王子”走向大众    
本刊记者  张 欣 

        1985年，当美国Rice大学的R. E. Smalley等人利用激光第一次人工产生并观察到C60分子时，他们可能不会想到，这个自然界中除金刚石和石墨之外碳元素的第三种同分异构体会具有如此广泛而极富价值的应用前景，当然他们也许更没有想到，这一成果能够“创立一个崭新的化学分支，对于天体化学、超导、材料化学和物理学等不同领域具有重要意义”，从而让他们在11年后获得诺贝尔奖化学奖。
        C60分子因为外形结构很像美国建筑师巴克明斯特?富勒(Buckminster Fuller)设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑，因此得名“富勒烯”。后来，许多类似C60的分子也被相继发现，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540等，这些由五元环和六元环组成的全碳分子被统称之为富勒烯（Fullerene）。因其稳定的结构和许多奇异的物理化学性质，堪称纳米材料的代表，因此富勒烯在科学界被称作是“纳米王子”。
“纳米王子”缘何珍贵
        富勒烯最显著的特点是它的高稳定性和奇异的电子特性，这使得它成为一类重要的多功能分子材料。以前文所提的C60为例，它具有近似球形的高对称的稳定结构和抗氧化特性，所以在工业上用作润滑油添加剂可提高润滑油的使用寿命达30％以上，美国著名的润滑油生产厂家Bardahl公司在远洋货轮上率先使用富勒烯润滑油添加剂，取得了极好的经济和社会效益。不仅如此，C60及其衍生物具有卓越的电子接受能力，每个分子可容纳多达6个电子，因此在光电、超导、催化等多方面应用广泛。例如富勒烯是有机太阳能电池的关键材料，目前基于富勒烯的有机太阳能电池能量转换效率已高达10%，而且具有制备成本低和柔性的优点；利用富勒烯和环糊精复合物作为催化剂，可在很低的温度下实现合成氨。此外，富勒烯作为高分子和橡胶添加剂能够大大提升原来材料的寿命和耐磨性能，据报道，日本丰田公司利用掺富勒烯的碳黑制作汽车轮胎，发现其耐磨性增加了20%等等。
        此外，王春儒还介绍，富勒烯还可通过内嵌金属离子达到新的性质，并带来新的应用，这就是所谓的内嵌金属富勒烯。常规富勒烯笼内空间在0.5～1.0纳米之间，可以容纳从单个原子到多达六个原子构成的团簇，由此便构成内嵌金属富勒烯的庞大家族。内嵌金属富勒烯的特性由富勒烯碳笼和内嵌的原子或分子基团共同决定, 更加丰富了这类分子材料的功能，并极大地拓展了富勒烯的应用范围。例如内嵌放射性金属元素的富勒烯可用作生物化疗药剂，毒副作用小、效率高；内嵌Lu等重金属离子的富勒烯具有较大的X射线吸收截面，可用作X射线造影剂；内嵌Gd金属离子的内嵌金属富勒烯具有极强的顺磁特性，是下一代高性能磁共振造影剂的有力竞争者等等。
        正因富勒烯和金属富勒烯广阔的应用前景，1991年，美国《科学》杂志评选富勒烯为“年度分子”，并做出了如下评论：“富勒烯的发现展现了所有科学突破的特性，在研究完全不同的问题时科学家们发现了富勒烯，然后他们坚韧不拔的进行着探索，直到使其成为一个现实的研究领域。如今，富勒烯的研究者们正在享受着飞速发展阶段，在这个阶段中不可思议将变为现实，从而使研究集中在富有成果的和实际应用领域的工作上。”
        随着富勒烯和内嵌金属富勒烯基础和应用研究的逐步深入以及工业应用的展开，近年来国际上对于这类分子材料的应用研究逐步升温。但是，这时富勒烯和内嵌富勒烯材料的产量和成本却成为制约其广泛开发和应用的瓶颈。1990年，Kr?tschmer和Huffmann等发明了石墨高温蒸发法，使人们第一次可以得到克量级的富勒烯。1992年，MIT的科学家又发明了苯燃烧法制备富勒烯，进一步使人们看到大规模合成富勒烯的曙光。但是一直到2000年，全世界富勒烯的年产量不过区区几千克，而每克富勒烯价格保持在上千美元。
        应用的迫切需求加快了富勒烯工业化生产的步伐。2001年，日本三菱公司成立先锋碳材料研究所，利用MIT的专利技术建立了首套工业化富勒烯生产装置，2004终于实现了吨级富勒烯材料的产能。随后，美国、俄罗斯、德国等国家也纷纷实现了工业化富勒烯生产，极大地加快了富勒烯应用研究的进程。但是，同国际上蓬勃发展的富勒烯应用研究相比，我国在这方面的研究总体上却落后了五年左右。直到2007年，由于缺少自己的富勒烯工业化生产企业，我国还鲜有人从事富勒烯的应用研究，而富勒烯的价格也比国际市场高一倍左右，这与我国在纳米科技的大国地位极不匹配。
        而王春儒，便是立志死磕这一难题，解决我国富勒烯产业化难题的那个人。他以及他带领的团队首先发明了利用煤或石墨制备富勒烯技术，解决了富勒烯材料的国内生产；紧接着，又发明了磁控电弧生产金属富勒烯，在国际上率先实现了金属富勒烯的规模生产，达到了国际领先水平。
        王春儒，中科院“百人计划”入选者，现任中科院化学所研究员、博士导师、中国科学院分子纳米结构与纳米技术重点实验室副主任。主要研究方向为新型富勒烯和碳纳米材料的合成和研究，以及纳米器件的研制。
力破垄断，让中国用上自己的富勒烯
        王春儒的学习科研经历可谓非常丰富，1992年中科院大连化物所博士毕业后，他于1993年加入厦门大学郑兰荪院士小组从事富勒烯研究；1997年，他来到了国际著名的日本名古屋大学富勒烯实验室，第一次从事富勒烯和金属富勒烯的合成，做出了许多国际水平的工作，例如合成了第一例打破“独立五元环”规则的金属富勒烯，第一个金属碳化物内嵌富勒烯等，研究工作发表在国际著名的Nature，Angew. Chem. Int. Ed.等杂志上；2000年，他又到了德国德累斯顿固体研究所继续从事金属富勒烯研究工作。
        2002年，一直心系祖国的王春儒入选中科院“百人计划”，回到了中科院化学研究所，建立了自己的富勒烯实验室，从那时起，他和他的团队便一直致力于富勒烯的应用基础研究，并力图在成果转化方面做出自己的贡献。
        2007年，看到国际上富勒烯的应用开始起飞，而在中国却面临富勒烯材料短缺的窘境。于是，王春儒团队尝试与西南科技大学、中橡集团炭黑研究院合作，在科技部“863”计划的支持下，进行了艰苦的富勒烯工业化制备研究，历时一年，终于复制了MIT的专利技术，实现了苯燃烧法制备富勒烯。
        2008年，王春儒又与内蒙古京蒙碳纳米材料有限公司合作，开发了中国自主知识产权的煤制富勒烯，利用太西煤作为原料，高产率地实现了百公斤级富勒烯的生产。2012年，煤制富勒烯的面世，一下子将富勒烯的市场价格从300多元打到100多元，有力地推动了富勒烯的应用。王春儒说：“今后根据需求还可以进一步提高产量，这将使富勒烯生产成本进一步降低，预期几年之后可以降到每克只需花费几十元。”
另外一方面，王春儒把目光投到技术含量更高、价值更大的内嵌金属富勒烯产业化上。每克富勒烯的价格只有100多元人民币，而金属富勒烯在国际市场上每克一万美元还找不到货源，但是，这种材料在许多方面却有不可替代的作用。例如，中科院高能所的科学家研究利用金属富勒烯作为抗肿瘤药物，不但能够高效地治疗肝癌、肺癌等各种肿瘤，而且还没有通常化疗的副作用；而利用金属富勒烯作为高效低毒靶向磁共振造影剂的应用也已经到了临床前阶段。
        “从回国开始，我就对金属富勒烯的合成方法感兴趣。”王春儒说，2002年回国伊始，他总结了国外多个富勒烯实验室生产金属富勒烯的经验后，很快设计了国际上最先进的半自动金属富勒烯实验室制备装置，能够日产金属富勒烯2毫克，基本满足了金属富勒烯的实验室研究需求。这套装置现在已经在中国科技大学、浙江大学、厦门大学、黑龙江大学，香港科技大学等多个科研机构广泛使用。为进一步推动金属富勒烯的应用，王春儒在中科院仪器研制基金的支持下，2007年又研制了更为先进的第二代金属富勒烯制备装置，采用石墨粉与稀土金属混合、双电极放电技术，能够日产金属富勒烯8毫克。
        利用以上内嵌金属富勒烯制备设备，王春儒尝试在富勒烯的分子结构中，嵌入稀土金属原子或分子，产生的新结构被称为金属富勒烯。金属富勒烯呈现出更多优异特性。比如在富勒烯中加入金属钆，所得到的钆内嵌富勒烯会保留金属钆的超顺磁特性，利用这个特性可以开发核磁共振造影剂。“我们在实验室中，通过将钆原子嵌入到富勒烯分子笼的内部，获得的核磁共振造影剂比现在临床所用的造影剂效率高出10～60倍。我们还尝试在富勒烯表面接枝叶酸等肿瘤过表达物质，能够实现面向肿瘤的靶向造影。”王春儒说，“但是，一进入实际应用，毫克量级的金属富勒烯就远远不够了，所以我们下决心解决这个问题。”2011年，王春儒与厦门福纳新材料科技有限公司合作，在厦门“双百计划”的支持下，历经两年努力，克服种种困难，终于发明了磁控电弧法生产内嵌金属富勒烯技术，能够年产金属富勒烯500克左右。
        近年来，由于具有了中国自己的原料，国内富勒烯和金属富勒烯的各种应用也开展起来，2012年，王春儒团队与深圳一家公司合作，已经开发出了具有高效抗衰老效果的富勒烯化妆品，现正与企业合作开发富勒烯塑料抗老化添加剂，以及高稳定的太阳能电池专用富勒烯材料。他们开发的金属富勒烯磁共振造影剂已经申请了多个专利，也有望近期进入临床试验。
        王春儒预计，今后10年富勒烯和金属富勒烯的市场将以大于100%的年增长率增长。他告诉我们，历史的经验结合世界产业发展的规律表明，任何一个产业的发展，都离不开基础原材料的供应。我国作为一个世界上重要的产业大国，不可能在未来的现代化建设过程中依赖进口来满足我们对富勒烯这样基础核心材料的需求，因此，面对蓬勃发展的富勒烯工业化应用，以及庞大的市场，发展具有自主知识产权的富勒烯生产产业具有特殊的战略性意义。
        我们欣喜地看到，在王春儒及无数辛勤付出的科学家的努力下，中国富勒烯的产业化发展正一步步走向现实。