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天价交易!全球最贵材料每克售1.67亿美元,为何只有一国独家生产?

发布时间:2023-11-02 09:21:02来源:本站原创

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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,但是反物质目前没有办法储存它,它也并没有在交易市场上真正成交过。

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,远远超过其它任何材料的成交价格。

但是让人意外的是,目前全世界只有一家实验室在生产它。

那么问题就来了,既然这东西这么值钱,为啥没什么人去生产呢?还有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(BuckminsterFuller)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。

一种可以融入芯片的原子钟

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。

原子钟

但是,这里适当隔离基本是要真空,这意味着原子钟往往非常巨大——一个房子那么大,即便是商用的也要达到一个手提箱那么大。

而许多需要精准核对时间的应用场景,常常难以塞下这么大一个设备,比如我们的手机,而N@C60的出现正好可以解决这个痛点。

因为氮原子完全漂浮在富勒烯内部,这就像一个原子钟的真空环境一样,保持了氮原子的特性,让其可以自由共振,就像是原子钟表现的那样,而实际它的体积却很小,甚至可以融入芯片。

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。

最后,很多人可能会好奇,这样一个具有未来前景的材料,而且它还卖得那么贵,为什么目前只有一个实验室在生产它呢?

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DesignerCarbonMaterials,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。

(责编: xuehui)

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