每克卖1.67亿美元，世界上成交最贵的材料，咋就一个国家在生产？能国产化吗？

现在世界上公认最贵的材料是反物质，它的生产成本每克超过60多万亿美元，但是目无法存储反物质，因此也无法进行反物质的交易。目前已成交的最贵物质其实是一种内嵌富勒烯，它在2015年的时候，以33400美元200微克的价格完成了第一次成交，折合下来差不多就是每克1.67亿美元！但是让人意外的是，目前全世界只有一家实验室在生产它。这东西这么值钱，为啥没什么人去生产？这种内嵌富勒烯到底是怎么回事，它又有何用途让它能够如此值钱？

内嵌富勒烯到底是什么？

很多人可能从“烯”字就已经知道它和碳有关系，事实也是如此，富勒烯就是一种碳的同素异形体，而“内嵌“则表示的是这个同素异形体内部还存在一些原子或者分子。

碳是目前已知最“通用的”元素，它允许碳原子以各种各样不同形式排列，然后形成各种同素异形体。

我们常见的比如有钻石——这可能是最受欢迎的碳同素异形体，其碳原子以晶格形式存在，然后碳分子以四面体角键合，形成非常牢固的结构。

再比如石墨，这是最常用的碳同素异形体，常见于铅笔芯，其碳原子以片状或层状六边形镶嵌堆叠并粘合在一起的形式存在。

图：石墨烯的结构

另外比较出名的还有石墨烯——碳原子以单片石墨的形式存在，我们今天的主角富勒烯正是来自于石墨烯。

但与石墨烯不同的是，富勒烯是将单片碳原子形式转变成了一个“球状”，每个分子由60个碳原子组成，而这60个原子组成了20个六边形，以及在六边形中散布着12个5边形。

图：富勒烯的结构

不知道你看到富勒烯的结构想到了什么，总之它的命名是按照测地圆顶的推广者巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的名字命名的。

富勒烯的内部是空的，所以就有了内嵌的概念，简单地说就是往里面填入其它原子或者分子等更小的微粒，这样就变成了内嵌富勒烯。

内嵌富勒烯分子几乎违反了化学键合的普通定律，因为内部的原子或者分子与富勒烯的关系就像是容器和容物的关系，不存在化学键合。

在所有内嵌富勒烯中，最特别的是 N@C60（xx@C60就是表示内嵌富勒烯的，@表示xx在富勒烯内部，N@C60就是指富勒烯内部是1个氮原子），我们前面说到的最贵成交材料正是这个。

内嵌富勒烯其实很早就出现了，但是最初它内嵌的基本都是非常惰性的物质——比如氦、氖等，内嵌一个像氮原子这样“活泼”的还是刚刚出现的。

事实证明，由于氮电子拥有较长自旋寿命，它是制造精确原子钟的关键，而N@C60可能成为未来原子钟的关键材料。

它为什么这么贵

富勒烯是在石墨、钻石之后被发现的单质碳的第三种同素异形体。1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托和美国科学家理查德·斯莫利发现了富勒烯C60，并提出了其笼型结构;1990年，德国科学家首次合成了克级C60分子。

那么牛津大学科学家生产的“内嵌富勒烯”材料有何独特之处，为什么这么贵?

科学家研制的氮内嵌富勒烯之所以异常昂贵，是因为在生产、分离和保存等一系列环节都有极高难度。

在生产环节，通常是用氮离子轰击富勒烯的方法制得，而大多数氮离子要么无法击破富勒烯碳笼，要么会把碳笼彻底击碎，只有极少数氮离子能表现得恰如其分，把握好准确的节奏和轰击角度，既成功击破碳笼，又刚好耗尽氮离子自身的能量。

接着，碳笼自我修复完好，这样才得到氮内嵌富勒烯。在分离和提纯环节，需要要把生产出来的不足万分之一的氮内嵌富勒烯从其他富勒烯中分离出来，并得到合适的纯化。在储存环节，由于内嵌有氮原子的富勒烯不太稳定，不仅需要紧固的碳笼罩着，而且要做到绝对低温和避光。

中国科学院化学研究所研究员、科技部纳米重大科学研究计划首席科学家王春儒解释，“一个单个的氮原子非常容易活泼，如果没有富勒烯C60这个碳笼对他进行保护，瞬间就会与其他物质反应，所以是一个极其不稳定的自由基。”王春儒说，“将氮原子放进富勒烯碳笼里面之后，如果没有外界的打扰，它就会长期保持稳定;而如果一旦受到光、热等因素的影响，它就会从笼子里跑掉,所以保存氮内嵌富勒烯必须避光和低温。

与时钟的钟摆或手表的机械装置不同，原子不会出现制造错误或磨损，而且只要在与环境适当隔离的情况下，它们的共振频率完全由物理定律设定，所以以此为基础的原子钟是目前最精准的计时装置。

富勒烯内嵌氮原子时，拥有极长的电子自旋寿命，具有改变我们当下计时方式的潜力。一般的钟表，每年大约会有1分钟的误差。原子钟的精确度就高多了，它是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。

由于电磁波具有非常稳定的特性，原子钟的计时可以做到极其精确，达到每100万年才出现1秒的误差。然而，这种原子钟有一个致命的问题，即过于庞大，甚至有一间屋子那么大。而如果使用内嵌富勒烯技术，原子钟的体积就能缩小到一个微芯片那么小。

缩小了个头的原子钟在高精度定位方面将有不少革命性的应用。有分析说，“想象一个可以随身携带在智能手机里的微型原子钟，这是下一场手机革命”。微型电子钟如果被内置于手机，能提高手机定位的精度。而如果把内嵌富勒烯应用于车载定位系统，则GPS的精确度将大大改善，其误差将由目前的1米至5米，提高到1毫米以内。毫无疑问，这项技术还可以应用到自动驾驶车辆的控制方面。

微型原子钟现在最广泛的应用场景就是无人驾驶设备的定位，这个行业对误差非常敏感，所以非常需要原子钟的精准度。

就拿无人驾驶来说，目前普通 GPS 导航的精度在几米以内，因此要正确跟踪和控制车辆可能会很棘手，而微型原子钟可以直接融入到设备中，在不影响现有汽车的设计模型情况下，却可以获得低至 1 毫米左右的精度分辨率。

内嵌富勒烯技术的突破令人憧憬。不过，这种材料在实际应用上面临着成本太过高昂等“瓶颈”，同时，如何打破内嵌富勒烯怕光、怕热等“短板”，也是需要科学家下大力气加以解决的。

为什么目前只有一个实验室在生产它

其实，现在已知有几种方法可以合成N@C60，这不是什么秘密，有许多文献都写的很清楚，但是所有这些方法都需要极端条件，难以生产。

这是因为推动氮原子通过碳笼在热力学上是非常不利的，我看到这个团队在回复采访的时候是这样形容的：在化学上要把氮推入富勒烯等同于将水推上山。

不仅难以生产，而且生产过程中失败的概率远高于成功，这意味着需要提纯，而提纯的难度也异常大。

现在唯一生产N@C60的团队是牛津的Designer Carbon Materials，他们在牛津大学的实验室内完成制造。

制造过程很透明，他们将富勒烯在真空室中蒸发，制造一个 C60 薄膜，然后让氮离子喷射到薄膜表面。

在这个过程中，其中一些氮离子就会被捕获并进入C60薄膜中，形成所需的N@C60分子，但是效率非常低——每得到一个 N@C60 分子都将消耗大约10000个C60分子（氮原子停留在其表面）。

而要让这一个N@C60分子从10000个无氮 C60 分子中提取出来非常困难，因为C60和 N@C60的化学性质几乎相同，目前主要是通过一种被称为高压液相色谱的技术将两者分离。

总得来说，生产N@C60是非常困难的，它的实际成本非常高，这是它贵的原因所在，而不是因为它的用途有多大。

其实，我们从N@C60最初的成交是用于研究，而不是商用，也能知道它其实是因为成本高才卖得很贵的，不会有太多利润空间。

因为你卖太贵，很难吸引别人买去研究，别人不去研究，你就没有商用的机会。

电子显微镜的富勒烯©Ludvig14

不仅利润空间有限，而且现在N@C60作为原子钟也没有得到更大的应用，只是处在研发阶段，还有一些问题需要解决。

换句话说就是市场到底会是什么反馈并不是很清楚，所以没人去做是正常的。

另外，这东西的成本贵有一方面自然是它前期的投入会很高，很少有人愿意会为一个未知的领域投入太多。

但是，只要这东西真的有市场，立马就会有很多资金流入去研究它，到时候价格被打下来是肯定的。

世界上最贵的十大材料排名

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