第六章 富勒烯的應用前景
以C60為代表的富勒烯家族以其獨特的形狀和良好的性質開辟了物理學、化學和材料科學中一個嶄新的研究方向。與有機化學中極常見的苯類似，以C60為代表的富勒烯形成了一類豐富多彩的有機化合物的基礎。在克拉茨奇默和霍夫曼等人首先製備出宏觀數量的C60以後，科學家從實驗上製備出大量的富勒烯衍生物並對其性質進行了廣泛研究，立即意識到這類新物質的巨大應用潛力。富勒烯新材料的許多不尋常特性幾乎都可以在現代科技和工業部門找到實際應用價值，這正是人們對富勒烯或巴基球如此感興趣的原因。已經預見到富勒烯材料的應用是多方麵的，包括潤滑劑、催化劑、研磨劑、高強度碳纖維、半導體、非線性光學器件、超導材料、光導體、高能電池、燃料、傳感器、分子器件以及用於醫學成像及治療等方麵。這些富勒烯材料在許多高新科技領域的應用價值可能是關鍵性的和無法替代的，富勒烯大量進入實用化必將帶來材料技術的一場革命，無疑具有重大而深遠的意義。
1富勒烯物理性質的應用
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”，製成潤滑劑。將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，可廣泛應用於高技術領域。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將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》雜誌上報道，通過在室溫下對C60分子施以壓強達200億帕的快速非靜壓，可將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快速有效生產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衝擊波的方法對富勒烯施加高壓，生產出符合工業標準的低成本金剛石。
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，對於C60，其升華點大約是600℃，這使得富勒烯在不規則形狀表麵上的氣體沉積覆蓋相對來說很容易實現。另外，由於富勒烯易溶於像苯和甲苯這樣的極性有機分子溶劑，因而可以在室溫下將複雜表麵直接浸於製備好的溶液中，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，先在矽表麵形成富勒烯薄層，然後用帶電粒子轟擊它，導致有利於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，這將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的應用使得在矽表麵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麵具有許多應用價值，如作為裝甲車表麵的抗衝擊覆蓋層，用於製成光學（X射線，粒子束）窗口，半導體晶片，高硬度表麵齒輪，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。今天，高性能纖維對於要求很高的強度-重量比的結構設計產生了革命性的影響，尤其是在需要耐高溫，或者在能控製材料的電磁性能的應用領域。目前的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，而且比目前的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，從而製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製造上得到應用。理論計算表明，巴基管可吸附大小適合其內徑的任意分子。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。科學家正試圖製成單晶巴基管，並用巴基管造出分子水平的微型零件用於醫學或其它目的。富勒烯作為一種潛在的新碳素材料已得到普遍重視，其應用領域也將不斷開拓。
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將C60離子加速至具有近5000萬電子伏的能量。由於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，從而將大量的能量施放在固體表麵，可以使固體在加速的同時獲得巨大的能量，有助於研究高能離子轟擊固體靶時產生的物理變化。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。