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碳可以排列成自然界中最坚硬的材料之一，也可以排列成一种柔软到孩子们可以在纸上留下痕迹的材料。 几十年前，科学家们开始思考：除了金刚石和石墨，碳还有哪些其他结晶形式？
1985 年，他们有了第一个答案。 一群化学家发现了由 60 个碳原子构成的小空心球，他们将其称为巴克明斯特富勒烯，简称巴克球或富勒烯。 （晶体类似于测地圆顶，由建筑师 R. Buckminster Fuller 推广。）随着研究人员竞相发现被称为最美丽分子的特性和应用，围绕纳米宽球体出现了一个新的化学领域。
发现了更大的富勒烯。 然后，几年后，日本物理学家 Sumio Iijima 的一篇论文引发了人们对相关碳形式的兴趣，最初被称为巴基管，现在被称为碳纳米管：由碳原子蜂窝晶格制成的空心圆柱体，像卫生纸一样卷起来管子。
碳晶体具有其他元素似乎无法比拟的电学、化学和物理特性。 当巴基球的三位发现者 Robert Curl、Harold Kroto 和 Richard Smalley 获得 1996 年诺贝尔化学奖时，围绕碳纳米科学的热情进一步高涨。 然后在 2004 年，物理学家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 找到了一种分离碳原子平板的方法——一种被称为石墨烯的晶体——引发了另一场研究爆炸，此后一直持续下去，并为自己赢得了 2010 年诺贝尔物理学奖。
最近，化学家又发现了另一种碳晶体——这一次，声势要小得多。 大多数为这个故事联系的碳专家仍然没有听说过它。 到目前为止，整个全球供应量可能只有几毫克，大约是几只家蝇的质量。
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这些最新的碳结构介于球形富勒烯和圆柱形纳米管之间。 据称，它们是形状像药胶囊的两者的“纳米级联姻” 哈里多恩，弗吉尼亚理工学院和州立大学的化学家，与 史蒂文史蒂文森 普渡大学的，分子的最初发现者。 史蒂文森和多恩将这些晶体命名为富勒管。
富勒管结合了富勒烯和纳米管的最佳特性。 或者两者中最糟糕的。 或者可能每个人都有一点好和坏——这取决于你问的是谁。 它们的特性如何或是否有用还有待观察。 这是我们以前去过的地方，可以说现在仍然是富勒管著名的碳亲属。
Fullertubes 挖矿
fullertube 世界的中心是普渡大学印第安纳州韦恩堡校区的一个起居室大小的化学实验室。 在那里，史蒂文森和他的一小部分本科生收集并分类新发现的分子，这些分子由各种宽度和长度的圆柱体末端的半球形帽组成。
2020 年，史蒂文森和合作者宣布了 第一个成员 fullertube 家族的成员，一个 90 个原子的分子，它基本上是由一个 30 个原子的纳米管中间部分连接的巴基球的两半。 他们发现了该分子以及两个分别由 96 和 100 个碳原子组成的较大的兄弟姐妹。
今年，史蒂文森和多恩 描述了另外两个 fullertubes，均由 120 个碳原子组成。 他们的研究表明，这些药丸状分子中较窄的分子具有导电性，而较宽、较短的分子——有趣的是——是一种半导体，这意味着它有可能用于晶体管和其他电子设备。 Fullertubes 还具有研究人员仍在探索的一系列光学和拉伸特性。
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西雅图系统生物学研究所的 James Heath 于 1985 年与 Curl 和 Smalley 一起帮助分离出第一个富勒烯，他称新的富勒管为“可爱的结构”，它们遵循相同的几何规则，使他和他的同事们首先寻找富勒烯：12个五边形和偶数个六边形可以形成一个封闭壳的规则。 （例如，巴基球具有与足球相同的六边形和五边形图案。Fullertubes 在添加额外的六边形带时保持规则。）
这些分子多年来一直在化学家的眼皮底下，隐藏在长期以来一直是富勒烯主要来源的相同特殊碳烟灰中。 但在 2020 年，史蒂文森终于想出了如何从丰富得多的富勒烯中挑选出管状胶囊的方法。 正如他所说，这个“神奇”的过程是“对任何球形的东西做出反应。 所以我们将球与管分开。”
这种特殊的烟灰通常是通过在室内的石墨棒上蒸发碳而制成的。 当碳蒸气在腔室壁上冷却时，其中大部分凝结成富勒烯，但也会形成罕见的富勒管，像宝石一样散落在矿渣山中。 史蒂文森的魔术依赖于称为胺的水溶性分子。 这些被吸引到碳原子的六边形排列与五边形排列相连的地方——交叉点出现在整个富勒烯上。 另一方面，纳米管对胺没有吸引力，因为它们仅具有六边形特征，而富勒管通过其纳米管中段部分保护免受胺的影响。 因此，虽然胺与富勒烯键合，使它们可溶于水，但未反应的富勒烯管仍然不溶； 史蒂文森可以简单地冲洗掉富勒烯，留下富勒管。
然后，他通过机器运行他的富含富勒管的样品，这些机器根据分子的质量和细微的化学差异分离分子，产生具有均匀质量、形状和特性的纯富勒管集合。
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“史蒂夫的方法绝对令人着迷，”化学家说 阿德米斯博格斯安 瑞士 École Polytechnique Fédérale de Lausanne，从事纳米管研究。 “这是我们领域中不常用的一种方法。 ……他的更精确一些。
专家表示，分离纯净、均匀的富勒管样品的能力使分子比其他方式更具吸引力。 富勒烯也可以被分离出来，但它们缺乏使富勒管和纳米管有望成为电路或光基传感器组件的电学和光学特性。 与此同时，对于纳米管研究人员来说，纯度仍然只是一个梦想，他们经常使用各种长度和直径随机的管子，甚至管子中嵌套的管子。 那么，fullertubes 能否克服阻碍其同类产品的障碍呢？
布基球发生了什么事？
在1 1991中 文章 “科学美国人”、Curl 和 Smalley 设想了巴克明斯特富勒烯的革命性应用，包括新型碳基超导体、电子产品和润滑剂。 “散装 C 的多功能性60 似乎每周都在增长，”他们写道。
五年过去了。 “尚未产生实际有用的应用程序，”诺贝尔奖委员会写道 1996年新闻稿 宣布 Curl、Kroto 和 Smalley 因发现巴克敏斯特富勒烯而获得化学奖，“但这在宏观数量的富勒烯问世六年后才出现。”
四分之一个世纪后，最初希望的产品都没有上市。 您可能会在商业上遇到巴基球的少数地方是化妆品和膳食补充剂，它们吹捧该分子作为抗氧化剂的潜力。 然而，这两种产品类型都不需要 FDA 批准，并且多项研究表明巴基球有毒性迹象。 （一项研究似乎支持健康益处，至少在延长小鼠寿命方面 暴露于电离辐射; 另一个发现 对老鼠没有延长寿命的好处.)
加州大学伯克利分校的物理学家 Michael Crommie 认为富勒烯的重要性主要在于为其他碳晶体开辟一条道路。 “因为我们得到了巴基球，”他说，“这导致了纳米管，最终导致了石墨烯。”
纳米管比富勒烯在科学和商业上取得了更大的成功。 您可以在五金店买到它们，它们是在“纳米胶带”或“壁虎胶带”中找到的，它们使用晶体进行粘合，就像蜥蜴的脚使用微型毛发一样。 纳米管非常坚固，有可能远远超过钢——除了没有人能够制造出足够长的纳米管来用于超强电缆。 尽管如此，纳米管在混入织物、船体、高性能车身和网球拍时仍能增加强度。 它们还广泛用于水过滤和提高某些电池的性能。
但是，尽管这些应用涉及大量不同长度和直径的纳米管，但更多突破性的应用（如精密纳米传感器）将需要彼此相同的纳米管。 例如，由不同的纳米管制成的两个传感器会对相同的刺激做出不同的反应。 电子产品需要统一的组件才能以可预测的方式运行。
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“我们无法真正分离出纳米管，”Boghossian 说。 “也许找到分离纯纳米管的简单方法的人可能会获得诺贝尔奖，”就像海姆和诺沃肖洛夫获得物理学奖不是因为发现石墨烯，而是因为分离出石墨烯。
研究人员喜欢 王玉煌 马里兰大学正在开发一种方法 剪断长纳米管 产生特定的长度——一种艰巨的自上而下的技术，从混合纳米管开始，并将它们转化为相同部分的集合。 其他研究人员正试图从下到上逐个原子地构建纳米管，但这种方法存在缺陷且成本高昂。
克罗米认为，石墨烯及其均匀的单层片材将发挥碳纳米材料的真正潜力。 在他看来，制造碳基电子和磁性设备的最佳途径是将石墨烯带修剪成有用的形状——他说这项技术已经在实验室中用于复杂的电子设备。
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Fullertubes 的婴儿学步
那么 fullertubes 可能扮演什么角色（如果有的话）？ 由于晶体是均匀的并且可以是导体或半导体，史蒂文森和多恩想象它们有可能像纳米尺寸的乐高积木一样连接在一起以制造微型电子产品。
Boghossian 将纳米管插入细胞以研究内部环境。 她依靠纳米管荧光：结构吸收一种颜色的光并发出另一种颜色，光的变化揭示了有关细胞状况的信息。 但荧光取决于纳米管的结构，它们之间的差异使信号更难解释。 最短的富勒管不会发出荧光，但较长的会显示出荧光的迹象。 如果更长的富勒管发出更强烈的荧光，它们可能会成为像她这样的研究的福音。 “我认为这对光电应用有很大帮助，”她说。
自 2020 年以来，根据对学术出版物的搜索，大约有 22,700 篇论文提到了富勒烯。 纳米管出现在 93,000。 搜索石墨烯可找到超过 200,000 次引用。 对于 fullertubes，截至撰写本文时，相关出版物的历史总数为 94。
随着时间的推移，更多的研究人员可能会转向富勒管，Boghossian 说，如果研究揭示了类似于纳米管的特性，并且具有精确长度的额外好处。 不过，她说，“这需要一些适应，因为人们一生都在研究纳米管 [和其他碳形式]。”
