前言

金屬富勒烯是將金屬原子或含有金屬的團簇嵌入到富勒烯籠內形成的新奇結構。由于富勒烯外殼對內嵌金屬原子（團簇）的保護作用以及兩者之間的電子轉移，金屬富勒烯具有許多獨特的物理化學特性，在信息、能源、生物醫藥等領域具有廣闊的應用前景。近年來隨著金屬富勒烯宏量生產技術的突破，可以預期在不久的將來必會形成新的研究熱潮。

筆者有幸于1997年在日本名古屋大學做博士后期間進入金屬富勒烯這一研究領域，之后到德國德累斯頓固體研究所繼續研究這一課題。2002年初，筆者回國并在中國科學院化學研究所建立自己的富勒烯研究室，歷經二十載，參與和見證了金屬富勒烯學科成長過程中的許多關鍵時刻。金屬富勒烯的發展可大致歸結為三個階段。

第一個階段是金屬富勒烯發現后的十五年。1985年，Kroto和Smalley等人模擬宇宙星云的高真空、高能量環境，利用激光濺射真空室內石墨塊的方法，第一次發現了足球結構的富勒烯分子。隨即他們就想到籠狀的富勒烯應該能夠嵌入金屬原子，于是他們將石墨塊在LaCl3溶液中浸泡后再用激光濺射，首次發現了La@C60對應的質譜峰，從此開啟了金屬富勒烯的時代。在此后的十五年里，科學家們將主要精力放在什么樣的金屬原子能夠置入富勒烯籠內，結果發現大部分稀土金屬和一些錒系金屬能夠形成金屬富勒烯，而大部分過渡金屬無法形成穩定的金屬富勒烯分子。

金屬富勒烯研究的第二個階段是1999年開始的第二個十五年。1999年，美國科學家Dorn等人在合成金屬富勒烯時真空裝置不慎漏入空氣，偶然發現了金屬氮化物內嵌富勒烯，同時筆者在日本名古屋大學Shinohara教授實驗室緊接著發現了金屬碳化物富勒烯結構。由此，金屬富勒烯研究進入了金屬與非金屬化合物團簇內嵌富勒烯時代。之后，金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氰化物等內嵌富勒烯相繼被發現。2000年，筆者和Dorn實驗室又各自獨立發現金屬富勒烯結構可以打破穩定富勒烯必須遵守的著名獨立五元環規則，引發了另一個改變金屬富勒烯碳籠結構的研究熱點。因此，這個階段的主要特點是探索新結構的金屬富勒烯，不斷為這一分子家族增添新的成員。當然，金屬富勒烯的物化性質研究也在這一階段逐步展開，特別是以金屬富勒烯光電磁特性為代表的新功能研究迅速發展。

俗話說“三十而立”，2015年，金屬富勒烯新結構的研究漸漸落潮，逐步進入金屬富勒烯應用騰飛的第三個階段。這一年，依托中國科學院化學研究所的金屬富勒烯生產與純化技術，國際第一條金屬富勒烯生產線在廈門福納新材料公司建成，為金屬富勒烯應用研究的下一個黃金十五年奠定了物質基礎。由于有了充足的Gd@C82原料，同年筆者實驗室在利用金屬富勒烯作為磁共振造影劑做動物實驗時，第一次將造影劑濃度提高了10多倍到毫摩爾量級，結果驚奇地發現經過磁共振造影后，荷瘤小鼠的腫瘤很快就壞死了。進一步研究發現金屬富勒烯在射頻輔助下能夠特異性地摧毀腫瘤血管。近幾年來，以金屬富勒烯抗腫瘤為代表的應用研究陡然加速，產業資本已經全面介入，金屬富勒烯造福人類的日子已經悄悄來臨。

作為從事金屬富勒烯研究二十年的老兵，筆者已經將自己的科學生涯與這一先進納米材料融為一體，而金屬富勒烯也是值得終身為之奉獻的材料。本書寫成在金屬富勒烯新結構研究黃金十五年落潮和應用研究全面騰飛交際之時，希望能夠對當前階段的研究做些總結，吸引更多的年輕科學工作者加入到金屬富勒烯應用研究的熱潮之中。

感謝化學工業出版社和“納米材料前沿”編委會主任萬立駿院士的組織，讓金屬富勒烯的階段性研究成果以中文的形式出版。希望借此書，向國內廣大讀者展示金屬富勒烯的特色，促進學科交叉，共同推動我國納米材料科學技術的發展。本書包含十章，主要介紹了金屬富勒烯的特色和研究熱點，包括制備、表征、結構、磁性、電學、發光、給受體、主客體、反應性、醫學成像、腫瘤治療等內容。本書的編寫，得到了蔣禮、吳波、李杰、趙富穩四位博士以及研究生蒙海兵、趙沖、聶明哲、賈旺、李蕾、劉帥、周悅、李雪的協助，在此一并致以謝意。

囿于時間和能力，書中難免欠缺和疏漏之處，望專家和讀者見諒并不吝賜教。

王春儒

2018年5月21日于北京