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《科学家谈物理》第三辑——一个新的足球烯家族
学习教育 - 学生用书
更新日期：
2009-11-24 18:45:49
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《科学家谈物理》第三辑——一个新的足球烯家族小说简介：
内容简介
　　以 C60 为代表的全碳分子是近年来发现的碳的一种新形态，全碳分子及 其固态构成了石墨和金刚石之外的纯碳的第三种稳定的同素异构体，被人们 通俗地称为足球烯。本书扼要介绍了它及它的家族的发现过程、结构和对称 性、新颖奇特的物理、化学性质以及潜在的应用前景。
　　我们生活的自然界丰富多彩而又神秘莫测.富于探索和进取精神的人类 总是力图揭开笼罩在科学之上的神秘外衣，探索自然的真谛.人类正是在不断 认识自然并改造自然的过程中一步步向前发展的.科学技术的进步，推动了人 类文明的进程.回顾人类历史的足迹，每一次重大的发现和突破无不带来人类 文明的一次飞跃，导致一场巨大的科学革命和技术革新.燧石取火和制造工具 开始了人类文明的起点；轮子的发明导致方便快捷的交通工具的出现；蒸汽 机和内燃机的发明将人类带到机械化时代；电的出现从根本上改变了我们整 个地球的面貌，人们从此和电结下了不解之缘；而半导体的出现和晶体管的 发明则带来了 20 世纪的科学曙光，以电子计算机为代表的一批高新技术领域 的出现标志着我们进入了人工智能和高速信息化时代.人类在漫长的生产实 践和科学实验的过程中，积累了丰富的科学知识，创造了灿烂的现代文明. 人们的认识活动由宏观到微观，由低速到高速，从陆地到天空，人类正是在 不断认识自然并利用科学知识改造客观世界的过程中逐渐向前发展的，并最 终成为地球的主宰.
　　自然的奥秘是无穷的.由于客观条件的限制，人类认识自然的过程是曲折 的.人类文明发展的历程，呈现一种跳跃式的变加速运动.重大的发明或发 现，往往是科学进步的催化剂.回顾人类文明的历史，人们的认识经历了一个 由浅入深、由低到高的发展过程.在某种程度上说，科学只具有某一特定范围 和一定认识水平上的相对性.随着认识的深入，新事物向旧事物提出挑战，科 学也不断发展和完善.19 世纪末，当英国勋爵开尔文自豪地宣称物理学大厦 的基石已基本建成的时候，由于“晴朗天空中两朵小小的乌云”导致了相对 论和量子力学的诞生，经典物理学的大厦被动摇了.过去人们一直按结构将固 体分为晶体和非晶体两大类，1984 年人们从实验上发现一种介于晶态与非晶 态之间的物质新凝聚态——准晶，改变了人们的传统观念.而在 1985 年以 前，人们一直相信自然界中的碳存在两种同素异形体：金刚石和石墨，这两 种物质都是三维无限的网状固体，不存在单个的碳分子.然而英国物理学家克 罗托（H. W. Kroto）和美国科学家斯莫利（R. E. Smalley）等人具有划时 代意义的发现宣告了碳的第三种稳定的同素异型结构的诞生，从此所有教科 书的提法都得改变.
20 世纪 80 年代中期，是科学发展史上一个不平常的时代，一系列重大
的发现和突破预示着科学技术的一场巨大变革.人们不会忘记那个激动人心 的年代.准晶的发现，纳米材料的认识和利用以及高温超导体和 C60 领域的蓬
勃兴起，开辟了物理学发展的新时代.1986 年贝德诺尔茨（J. G. Bednorz） 和米勒（K.A.Müller）发现的高临界温度氧化物超导体是超导研究史上一个 划时代的突破，并由此导致一场规模空前、席卷全球的高温超导热.然而在此 之前的 1985 年，克罗托等人已经从实验上发现一种呈足球结构的全碳分子—
—C60，这个注定要脱颖而出的漂亮“足球”，当时并没有引起人们的关注和
重视.这一方面可能是空前的高温超导研究竞赛的硝烟多少掩盖了 C60 的光
芒，而主要原因是因为人们尚不能获得足够数量的 C60 来研究其物理化学性
质.1990 年克拉茨奇默（W.Kr?tschmer）等人首先发现有效较大量制备 C60
的方法以后，立即揭示出 C60 具有一系列新颖而奇特的物理化学性质，显示
广泛的潜在应用前景.特别是 1991 年赫巴德（A. F. Hebard）等人在碱金属 掺杂的 C60 化合物中发现较高转变温度的超导电性，引起了人们的极大关注 和兴趣，一场空前的 C60 研究竞赛开始展开.C60 也因此被美国《Science》杂 志评为 1991 年年度分子，同时 C60 化合物超导体被评为 1991 年世界十大科 技发现之一，一个宽广的研究领域向物理学家、化学家和材料科学家敞开. 研究揭示出，以 C60 为代表的富勒烯家族包含了众多的成员，并且一直在发 展壮大，它们由于具有一系列异乎寻常的物理化学性质而倍受人们青睐，明 星分子 C60 更为世人所瞩目，一个基于 C60 的全新而独具魅力的研究方向已经 形成.
C60 的出现是时代的产物，同时又是时代的需要.当今社会，能源、信息
和新材料是构成现代文明的三大支柱.勿庸置疑，性能优异的新材料是科学发 展的关键，是技术革命的先导.可以说，没有半导体材料的出现，便没有今天 蓬勃发展的高速信息和电子计算机技术.在交通、通信、航空航天等高技术领 域，性能优越的新材料一直是人们孜孜以求的目标，而 C60 及其他富勒烯首 先是作为一种可实用化的新材料而出现的，它们的一系列独特性质表明这类 全新的物质极有可能走在实用化的前列，尤其是在光学、半导体、超导及微 电子领域.它们的出现很可能带来科学技术的一场革命，并为人类带来大量价 廉物美的新产品.
　　在 19 世纪，英国人发明了现代足球，至今已成为世界第一运动，多少人 为之疯狂，为之陶醉.100 多年后的今天，英国人克罗托和他的美国同行发现 了足球状分子——C60，又一次为世人所瞩目.C60 及其家族以它们无与伦比的 结构和独特新颖的性质开辟了一个全新的天地，一片广阔的研究领域已经敞 开.然而巴基球及富勒烯家族诞生的意义也许远不止此，其中蕴藏的思想是深 远的.天地方圆，自然界的规律是和谐而统一的，简单、和谐、对称是科学美 的体现，是自然的本质.在广袤的天空中，几乎所有的星球都是圆形的，C60 及富勒烯家族则是球形对称在微观世界的体现，从而使整个世界达到高度统 一，因此 C60 家族的出现为人们深入认识客观世界打开了新的大门.欢跳着的 巴基球吸引了越来越多的人纵横驰骋，让我们一起来揭开笼罩在美丽“足球” 之上的神秘外衣，来到这宽广的赛场上一试身手吧.
　　自然科学是生产实践和科学实验经验的总结，是人类征服自然、改造社 会的有力武器.物理学则是自然科学中一门重要的基础学科.
　　十七世纪前后物理学发生了一次巨大的飞跃.以牛顿为代表的一批科学 家用观察和实验的方法研究自然现象，他们建立了以经典力学、热力学、统 计物理学、经典电动力学为基础的一个完整、严密的经典物理学的理论体系. 这个理论体系的建立，大大扩展了人类对客观世界物质结构及其运动规律的 认识，在科学技术领域和哲学领域均产生了划时代的影响，推动了自然科学 和工业革命的迅猛前进.
　　十九世纪末二十世纪初，物理学再一次发生巨大飞跃.以爱因斯坦为首的 一批卓越的物理学家创立了相对论、量子力学，为现代物理学奠定了坚实的 理论基础.现代物理学克服了经典物理学形而上学的局限.相对论揭示了物体 在高速（接近光速）运动状态下的各种规律；量子力学打开了微观世界的大 门，发现了微观物质运动的规律.现代物理学在更深的物质结构层次和更广阔 的时空领域内扩展了人类对自然界的认识，揭开了伟大的现代自然科学革命 的序幕.
在现代物理学的基础上，原子能、电子计算机、新型材料、空间技术、
海洋开发等新技术相继产生，新技术革命蓬勃兴起. 现代科学技术的发展是现代经济发展的基础和前提条件.当前世界各国
为了争夺二十一世纪在世界上的有利地位，无不把发展现代科学技术作为战
略重点.我国人民长期以来遭受帝国主义的侵略和剥削，近百年来沦于贫穷落 后的殖民地半殖民地地位.为了迅速缩小我国与发达国家在经济上的差距，为 了把我国建设成为一个社会主义的现代化强国，中国人民在中国***的领 导下，奋斗了七十多年.积正反两个方面的经验，我们深知，人民大众在取得 政权以后，必须大力改革各种束缚生产发展的政策、法令、规章、条例以及 各种不合理的管理制度，以更大地解放生产力；必须高度重视科学技术工作 和教育工作，尊重知识、尊重人才，以更快地发展生产力.1983 年，*** 同志为北京景山学校题词：“面向现代化，面向世界，面向未来”，高瞻远 瞩地指出了教育工作、实际上也包括科学技术工作的奋斗方向.老一辈科学家 艰苦奋斗，为祖国的现代化事业立下了汗马功劳.现在的中学生是跨世纪的一 代，是二十一世纪我国各项事业的生力军，肩负着人民的重托和历史的重任. 当代中学生要有志气，继承老一辈科学家们的未竟事业，从小热爱包括物理 学在内的各门自然科学，做到爱科学、学科学，用现代科学技术装备我国的 工业、农业和国防，加速四个现代化的历史进程，使我们的祖国尽快繁荣昌 盛起来.
《科学家谈物理》丛书的出版，对当代中学生来说是件喜事，年轻的朋 友们不仅可以从中学习许多宝贵的知识，进一步掌握打开科学殿堂的钥匙， 而且可以从中学习科学家们那种为科学事业而执著探索的精神，那种自觉献 身的精神，以及那种实事求是的宝贵品质.我相信，这套丛书的出版，必将受
柳斌：国家教委副主任
到读者的欢迎.
1992 年 7 月 30 日
朱光亚①
　　中国物理学会主编、湖南教育出版社出版《科学家谈物理》丛书，是一 件很有意义的工作.半个世纪、特别是近二、三十年来，物理学从亚核世界到 整个宇宙广阔领域的探索研究，又取得了惊人的进展和成就.物理学在理论方 法和实验技术上的新突破，使它同数学、生物学、化学、材料科学等邻近学 科的结合与相互作用更密切了，促进了许多边缘、交叉学科以及高、新技术 与产业的诞生及迅速发展，出现了步伐越来越快的新的技术革命.这一切不仅 广泛而深刻地丰富了人们对自然界规律的认识，并预示下世纪将会出现新的 重大突破，而且已使人们的社会生活在短短的几十年间发生了从前难以想象 的变化.
　　当然也应当看到，这种变化还只限于一部分发达国家和地区，而且变化 的程度是很不平衡的.全人类的社会进步并不是仅由科学技术的进步所能决 定的.我们面对的仍是一个充满矛盾和激烈竞争的世界.即使是自然科学基础 之一的物理学的重大发现，例如 20 世纪 30 年代关于铀核裂变现象的发现， 揭示了人类有可能从自然界获取一种巨大新能源的美好前景，然而它却不幸 地被首先用于军事和争霸，带来了危及人类生存安全的严重威胁.
由我国一批著名科学家撰写专文，向广大读者介绍物理学思想、物理学
发展，特别是近代和现代物理学发展，让大家获得新知识，增加对物理学各 分支学科的主要内容及其作用和影响的认识和理解，激励大家为追求美好未 来而努力奋斗，无疑是非常有益的.
《科学家谈物理》丛书侧重以广大青少年读者为对象，这又有特殊意义.
人类社会正在动荡和不安中准备迎接世纪之交.国际上的种种竞争，关键是科 学技术的竞争，进一步说又在于培养科技人才上的竞争.“科技增强国力.青 年开创未来”，下一世纪在我国科技领域承担开拓前进重任的，只能是当前 正在学习的青少年一代.种种事实表明，包括近年来我国中学生参加国际数 学、物理学、化学、信息学奥林匹克竞赛不断取得优异成绩在内，我国青少 年聪明勤奋，是大有希望的一代.青少年处在长知识、增才干的时期，既要努 力学习，又要善于学习，勤于思考，重视实践，勇于探索，并注意拓宽知识 面.希望《科学家谈物理》丛书能对献身科学、立志攀登高峰、振兴中华、实 现祖国四化的青少年朋友们的茁壮成长有所帮助.
1992 年 7 月 27 日
朱光亚：中国科协主席，中国工程院院长、院士.
编者的话
　　科学技术的发展，改变着人们的意识，改变着国家的战略，更加速了世 界各国综合国力的激烈竞争.
　　全球性科学技术的竞争，实质上是人才的竞争.我们的国家，学校每年在 校人数逾两亿，他们都是 21 世纪的主人，这些人的文化科学素养，标志着国 家未来的盛衰强弱，标志着我国在世界之林的竞争能力，尽多尽快地培养科 技人才，是时代的当务之急.自 17 世纪以来，物理学一直为自然科学的领头 学科，推动着各学科的发展，诱发出许多交叉分支学科和技术领域.物理学作 为一门基础学科，又总是向人类智慧提出一些最深刻的挑战.因此，向青少年 介绍一些现代物理前沿科学、物理学思想，将有利于青少年开阔眼界、诱发 思维、启迪心智，有利于吸引和培养优秀的青少年从了解科学到热爱科学， 早日选定自己的志向从而献身科学.有鉴于此，在 1991 年中国物理学会第五 次全国会员代表大会期间，由中国物理学会和湖南教育出版社共同主持，正 式成立了《科学家谈物理》编委会，讨论并制定了丛书宗旨、编写目的、编 写原则和编写计划.
　　丛书内容包括物理学新知识博采、物理学新领域探奇、物理学重大发现 觅踪、物理学佯谬的启示，著名物理学家成才轨迹等.作者将以严谨的科学内 容、活泼的物理思想、通俗流畅的文字表述，为广大青少年提供一套优秀的 科普读物.
经过四年的努力，作者和编者，殚精竭虑，丛书终于与广大读者见面了.
本丛书的编辑出版，得到“国家杰出贡献科学家”钱学森的关怀和指导；中 国科协主席、中国工程院院长朱光亚和国家教委副主任柳斌在百忙中为丛书 作序；中国老一辈著名科学家、中国科学院院士严济慈、谢希德、王淦昌、
钱三强 ，中国科学院院长周光召，中国物理学会理事长、中国科学院院士
冯端为丛书题词，寄托了他们对新一代科技人才成长的殷切希望；中国物理 学会、中国科学院物理研究所给予了大力支持，中国物理学会副秘书长程义 慧做了大量工作，在此一并表示衷心感谢.本丛书作者都是卓有成就的学者， 对他们从繁忙的教学、科研和社会工作中挤出时间，花费大量精力，满腔热 情来撰写这套科普读物的精神表示敬佩.
古今中外有不少的名人、专家、学者，就是因为在青少年时代受过一些
优秀科普读物的熏陶、感染，从而早日选定了自己的志向，终生为之奋斗， 终于功成名就，为后世留下可歌业迹.倘若读者能从这套丛书得到启示，在若 干年后出现这样的成果，我们将感到无限欣慰.
《科学家谈物理》编委会
1992 年 9 月
一个新的足球烯家族
A NEW FAMIL Y OF FULLERENES
第一章C60 及富勒烯家族的历史——从预言到发现
　　自然界中的物质形形***、丰富多彩.由人类已知有限的 100 多种元素形 成如此五彩斑斓、变化万千的世界，人们惊叹自然的鬼斧神工，其中也有人 类的杰作.各种不同元素通过化学作用相互结合形成种类繁多的物质，即使同 一种元素也可以形成不同的物质形态.不同物质，同一物质的不同结构和形态 会相应表现出不同性质.在不同条件下，一般物质还存在固、液、气三种状态. 我们看到，物质的不同化学成分和形态以及相应的外部条件是构成自然界多 姿多彩的原因.
　　在与人们关系密切的几十种化学元素中，碳是一种十分重要的元素，也 是有机化合物的基本组成部分.过去人们一直认为自然界中的纯碳存在两种 同素异形体——金刚石和石墨，这两种物质都是由原子堆积构成的网状固 体，不存在单个的碳分子.然而在 1985 年，克罗托等人一项具有划时代意义
的发现，改变了人们的传统观念.以 C60 为代表的全碳分子系固体的出现宣告
了碳的第三种稳定的同素异型结构的诞生，实验和理论研究揭示出纯碳存在 多种形式，包括球形、管状、洋葱状等结构，构成一个全碳分子家族，而且 有迹象表明这类全碳分子在自然界中早已存在，只不过以前未被人们所认识. 早在 20 世纪 70 年代初，日本科学家就从理论上预言有由 60 个碳原子组成的 分子存在，另外还有不少科学家进行过有关 C60 的实验和理论研究，遗憾的 是，由于科学预见和敏感不够，有的人甚至临近 C60 发现的边缘而失之交臂. 而克罗托等人在一项研究星际空间中长链碳分子形成机制实验中的一次意外 收获导致了 C60 分子的诞生，正是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”.
§1富勒烯——名不虚传
　　1985 年，克罗托和斯莫利等人从实验上发现由 60 个碳原子组成的分子 之后，为了解释这种分子的特殊稳定性，他们设想这种分子应具有类似于足 球的结构，即这种分子的 60 个碳原子形成一个中空的球形 32 面体（又称截 角二十面体），其表面包含了二十个六边形和十二个五边形，并将这种分子 命名为富勒烯 （fullerene），由于其外形酷似足球，又称之为巴基球
（buckyball）或足球烯（footballene）.fullerene 这一名称中的 Fuller
是美国著名工程师和建筑设计师巴克明斯特·富勒（Buckmi ter Fuller） 的姓，ene 则是有机化学中烯类的词尾，因此 fullerene 翻译为富勒烯.在科 学的历史上，重大科学成就往往以其发明或发现者的名字来命名，以示对科 学先驱和开拓者的尊敬.而克罗托等人将这一重大发现用别人的名字命名，这
在科学上恐怕并不多见.C60 之所以得到富勒烯这一名字还要追溯到巴克明斯
特.富勒对二十面体的研究和他所发明的著名的短程线圆顶结构的建筑原理. 理查德·巴克明斯特·富勒（Richard Buckmi ter Fuller）（1895～
1983）是美国著名的建筑力学家和工程师，1895 年出生于美国的马萨诸塞. 小时候人们都叫他“巴克（Bucky）”.值得一提的是，富勒从小十分喜爱体 育运动，他家乡所在的密尔顿（Milton）镇上有一支出色的足球队，当富勒
18 岁时，尽管他身材不高，体质较弱，他加入了球队并于后来成为大学美式 足球队的一名后卫.1913 年，富勒带着良好的学习和体育成绩进入哈佛.第一
次世界大战期间他在海军服役，后来他获得多项专利并开始经商.1965 至
1967 年期间，富勒在 67＇加拿大蒙特利尔万国博览会的美国馆中工作，设计 了著名的美国展馆圆顶建筑（图 1-1）.
富勒早在 1948 年就对二十面体作过认真研究，他将二十面体描绘成由
31 个大圆交错排列形成的球面三角形网络.他发现二十面体可以***为八面 体并进而***为四面体，这意味着所有的多面体都可以***为基本的结构单 元——四面体.富勒由此找到了三角形与球体之间的联系，并意识到可以用
31 个大圆纵横交错形成的三角形网络来做成一个半球形结构或圆屋顶，球体 上的三角形表面正好是四面体露在外的一面，这些四面体均过球的中心且不 可分离.我们知道球面上任意两点当它们是大圆孤的一段时距离最短，富勒的 短程线圆屋顶结构的建筑原理体现了他的
(a)1967 年加拿大蒙特利尔万国博览会美国展馆的圆顶建筑 (b)青年时代的富勒
协同作用思想，所有这样的圆屋顶都可以看作一些五边形和六边形结构的网 络.富勒在 1967 年为美国在蒙特利尔万国博览会展馆设计的圆顶建筑的构架
就是一个三十二面体（即截角二十面体，由五边形和六边形构成，C60 即具有
这样的结构）的上半部，这样一种建筑设计不仅具有稳定性，而且体现了对 称美.
有趣的是，C60 的发现者之一克罗托对富勒的作品非常着迷，尤其是 1967
年加拿大蒙特利尔万国博览会上的短程线圆顶建筑给他留下了深刻印象.因 此当克罗托等人分析出 C60 分子的理论模型后，他们便提出用富勒烯来命名， 后来又将包括 C60 在内的全碳分子统称富勒烯（fullerenes）.由于富勒烯家 族中所有分子的稳定性都可以采用短程线圆顶结构予以解释，加之富勒对足 球（美式足球，富勒烯家族中的 C70 具有与之相似的形状）的热爱，可以说，
将 C60 及其家族得到富勒烯这一名字是实至名归的.
§2C60 的预言及理论研究
足球形分子
　　C60 虽然在 1985 年才为克罗托等人所发现，但这种美丽的分子在此之前 十几年就已经开始孕育.根据文献记载，第一个预言 C60 分子存在的科学家是 日本人大泽（Eiji Osawa）.
　　大泽在前人工作的基础上并结合自己的理论研究于 1970 年和 1971 年用 日文发表了两篇关于超芳香碳氢化合物的文章.在他 1970 年的论文中，大泽 描述了二十面体和截角二十面体分子，但他并没有特别指出是 C60，因为他的
主要目的是解释超芳香碳氢化合物.1971 年大泽和别人合写了一本名为“芳 香性（Aromaticity）”的书，对这种分子作了更为详细的描述.1971 年 4 月， 巴斯（W. E. Barth）和劳顿（R. G. Lawton）在《美国化学学会杂志》上发 表了一篇文章，提出合成一种心形环状分子（cora ulene）的方法，这种分 子在当时引起了人们的注意，因为它由中间一个五边形环和周围一些六边形 构成，具有非平面的碗形结构（图 1-2 所示）.大泽于是想到是否能将这种结 构加以扩展形成球状，实现三维芳香性.当他正在思考这种分子的结构时，碰 巧他的小儿子正在玩足球，他立即意识到足球上就包含了这种碗形分子.他开 始研究这种球状分子，不久他得出这种结构可以由截去一个二十面体的顶角 得到，并称之为截角二十面体，其外形正好是足球拼皮的花样（图 1-3）.在 原来日文版的书中，大泽还预言了 C60H60 分子的存在.我们今天知道，这是完 全氢化的 C60，这种化合物中由于储存了大量的氢因而在富勒烯化学中具有重 要的应用.
　　大泽虽然在 1970 年就预言了 C60 分子的存在，但遗憾的是，由于语言障 碍，他的两篇用日文发表的文章并没有引起人们的普遍重视，而大泽本人也 没有继续对这种分子的研究，因而使得 C60 的发现已经是 15 年以后的事了.
截角碳二十面体
　　二十面体、五边形以及球体这些概念最初体现在巴克明斯特·富勒的协 同作用原理中，当初富勒是从建筑学的角度考虑这样一些空间结构的，但这 种观点同样可以用来解释一些分子的稳定性及预言某些分子的存在.1972 年，在美国科学家易顿（P. E. Eaton）和穆勒（R. H. Mueller）实验工作 的基础上，两名俄罗斯科学家布赫瓦（D. A. Bochvar）和盖尔蓬（E. G. Gal’pern）发表了一篇题为“假想系统：碳十二面体，S-二十面体和碳-S- 二十面体”的论文.易顿和穆勒试图合成一种十二面体分子，并且，他们从实 验上得到了由六个五边形环连接构成的十二面体碎片.在这些工作的启发下
并结合他们自己的研究，布赫瓦和盖尔蓬提出了假想的截角二十面体分子， 即他们所谓的 S-二十面体，这种分子包含了十二个五边形、二十个六边形，
有 60 个顶角，90 条边.他们还采用休克尔（Hückel）分子轨道方法首次对这 些分子进行了理论计算，由能态计算结果得出碳-S-二十面体比碳十二面体要 稳定得多.
我们今天知道，这种碳-S-二十面体实际上就是 C60 分子，而易顿和穆勒
所设想的十二面体分子在富勒烯家族中即为全部由 12 个五边形构成的最小 球形分子 C20，这种分子由于化学成键的要求影响了其稳定性，因而在实验上 没有被发现.以后我们会看到，这种全部由五边形构成的球状结构可以在富勒 烯的近亲——以金属原子部分取代碳原子的金属—碳原子团簇分子中找到.
“石墨汽球”
　　1966 年，正当富勒在蒙特利尔万国博览会美国馆工作的时候，戴维·琼 斯（David Jones）在英国用笔名“Deadalus”在《新科学家》杂志上发表了 一篇文章，提出了由石墨合成球形分子的可能性.他设想由石墨片卷曲形成一 个个形似足球的空心笼状分子，如同“石墨汽球”.他由计算指出，这种分子
的直径可能达到 100 纳米1，这比 C
分子大 100 倍，这些“石墨汽球”实际
上就是我们今天所知的巨型富勒烯.值得注意的是，琼斯这种由平面层状结构 的石墨合成类似足球的球形分子的直观想象具有重要意义，这对 C60 的发现 及后来人们采用石墨放电方法生产 C60 均产生了重大影响.正如爱因斯坦所指 出，对于人类的进步，直觉有时比知识更为重要，因为知识是有限的，而正 确的直觉却是永恒的.
进入 80 年代以后，关于 C60 方面的理论研究继续取得进展.1980 年戴维
逊（R. A. Davidson）采用群论技术对一系列高对称分子进行了研究，其中 就包括 C60 在此之后，由于技术的发展及人们对原子团簇研究的兴趣，实验 扮演了十分重要的角色，不少人在实验中都合成出 C60 并探测到 C60 分子的存 在只是没有意识到，而克罗托等人凭借科学的敏锐和大胆的想象终于捕捉到 了这种神秘的分子.
①1 纳米=10-9 米.
§3C60 及富勒烯家族的诞生
　　虽然人们普遍认为 C60 是克罗托等人在研究星际空间中长链碳分子形成 机制的实验中作为副产品而偶然发现的，这一意外的收获也同时说明 C60 的 诞生是科学技术发展到一定阶段和人们的认识水平达到一定程度的结果.随 着技术的发展特别是实验条件的改善，人们在研究物质宏观和微观性质的同 时，对原子集团这一新的物质形态产生了浓厚兴趣.原子团簇（cluster）是 指由一定数目粒子（从双原子分子直到数百万个原子）组成的体系，是介于 原子与大块材料之间物质的一种新形态.在原子集团中，绝大多数原子都处于 表面，因此表现出与大块材料不同的结构和性质.对原子集团的研究有助于了 解介于宏观尺度和微观粒子之间物质的性质，特别是近年来介观物理的出现 及纳米材料的认识和利用，更引起了人们对原子集团研究的兴趣，并推动了 表面物理、化学催化、微电子结构及晶体生长等领域的发展.原子集团的研究 无论在理论和实用上都具有重要意义，它对许多新兴学科的发展都起着巨大 的推动作用，至今已形成物理学中一个十分活跃的分支——原子团簇物理
（Cluster Physics），其中一个重大成就就是导致了 C60 及全碳分子家族的
　　原子团簇的研究始于 20 世纪 50 年代，当时采用的是超声喷注加冷凝产 生微团的方法，稍后出现了用惰性气体离子束轰击并溅射二次离子产生团簇 的方法.到 60 年代末，由于激光技术的普及和应用，对原子集团的研究得到 进一步发展.人们对各种金属原子、惰性气体及一些合金团簇等都获得了丰富 的实验结果，理论研究也取得很大进展.原子团簇一般很不稳定，只能用飞行 时间质谱仪观察到.实验结果发现，原子集团中的原子数目不是随意的，只有 包含一定数目原子的团簇保持稳定，并在质谱上产生特征峰，这一定数目的 原子称为“幻数（magicnumber）”.例如对于一价碱金属，当团簇中的原子 数目为 2，8，18，20，34，?时较为稳定，并在质谱上产生显著的峰.对其 他元素的原子团簇人们也发现了一定的幻数规则，并提出一些理论模型予以 解释.对一些简单金属（如碱金属）和贵金属，原子团簇的稳定性就可以采用 简单的电子壳层模型予以解释.但更多的问题仍然有待研究.如各种原子团簇 何以保持自身稳定，多大的原子集团开始具有大块材料的性质等，都是十分 重要但仍然没有研究清楚的问题.
与其他原子团簇研究的蓬勃发展相比较，碳原子团簇的研究直到 80 年代
才取得令人注意的进展.最初的研究始于天体物理学家对宇宙尘埃形成的兴 趣.长期以来人们对来自星际空间的某种神秘辐射一直感到困惑不解，后来人 们认识到这些星际尘埃主要是由碳元素组成的，并开始在实验室模拟星际空 间以及恒星附近链状碳原子簇的形成过程，采用各种方法试图产生碳原子
簇.C60 的发现者克罗托和斯莫利以及首先发现较大量制备 C60 方法的霍夫曼
（D. R. Huffman）和克拉茨奇默（Wolfgang Kr?tschmer）等人长期以来就 一直从事原子团簇和星际尘埃的研究.早在 70 年代，克罗托就对分子辐射天 文学产生了浓厚兴趣，长链碳分子及其振动-转动动力学一直吸引着他.后来 他推断出这些长碳链或碳球是了解红巨星外层空间所发生化学反应的关键， 并且可能是天文学家观测到的红外吸收带的根源.1985 年克罗托利用斯莫利 教授设计的实验装置——激光超声团簇束流发生器开展了一项星际空间中长
链碳分子形成机制的合作研究，从而导致了 C60 这一具有划时代意义的发现. 其实在此之前就已经有人探测到 C60 等球状分子的存在，但由于没有敏锐地 意识到而失之交臂. 这些不太幸运的科学家就是霍夫曼以及罗尔芬
（E.A.Rohlfing）等人.
神秘的“骆驼样品”
　　美国亚利桑那大学的物理学家霍夫曼及德国海德堡的马克斯·普朗克、 核物理所的研究人员克拉茨奇默等人和他们的学生几十年来一直从事星际尘 埃的研究，他们假定这些尘埃主要是由一些碳粒子组成的，并在实验室采用 各种方法对碳进行汽化和冷凝来模拟这一现象.霍夫曼本人在 70 年代就曾提 出在氦气气氛中使石墨电极间放电产生碳原子簇的方法.1983 年，他和克拉 茨奇默等人合作，仍然采用电弧法，通过适当改变实验条件，测量不同形式 碳烟的远紫外光谱及拉曼谱.他们发现，这种碳灰样品在远紫外区有强烈的吸 收带，产生形似骆驼的独特双峰（图 1-4）.霍夫曼等人形象地称之为“骆驼 样品（the Camel Sam-ple）”.霍夫曼和克拉茨奇默等人当时注意到了这两 个尖峰信号，但并不清楚它们意味着什么.大约三年之后当霍夫
图 1-4电弧法蒸发石墨产生的烟灰的双峰吸收信号
　　　　　　　　　（实线和虚线表示不同的氦气压） 曼在英国《自然》杂志上看到克罗托等人关于 C60 的文章时，开始考虑这种
空心足球状分子是不是与他们的“骆驼样品”有关.然而他们不相信具有如此 完美对称结构的碳分子能在石墨蒸发过程中作为主要产物存在，加之重复这 一实验存在一定困难，因此并未给予足够重视.直到 1989 年，他们重新对“骆 驼试样”感兴趣了，并很快重复了 1983 年的实验结果，这一次他们测量了这 种试样的红外线吸收谱带，得到四条尖锐的谱线（图 1-5），与根据 C60 分子 结构计算得到的谱带完全一致.骆驼试样红外光谱中的 4 条谱线正是由 C60 产 生的，从而证实了 C60 大量存在于他们用电弧法产生的碳尘中，神秘的“骆 驼样品”之谜终于解开.霍夫曼和克拉茨奇默等人的这一研究工作在 C60 历史 上具有
　　　　　　　　图 1－5“骆驼试样”的远红外吸收谱 不寻常的意义，首先他们在实验上间接证实了 C60 分子的足球结构，尤其重 要的是，在人们无法获得足够数量的 C60 来研究其物理化学性质的时候，他 们由此首先发现了较大量制备 C60 的方法，使 C60 的研究得以广泛展开并形成 持续不断的研究热潮.耐人寻味的是，假如霍夫曼等人在 1985 年 C60 被发现 时对他们的驼峰样品采取足够的重视，也许 C60 不至于在最初几年中默默无 闻，那么打破 Nb3Ge 保持 13 年之久超导电性临界温度记录的是氧化物陶瓷超 导体还是掺杂 C60 化合物超导体，也就未可知了.科学就这样跟人们开了个不 大不小的玩笑，它值得我们思考.
未识真面目
　　虽然人们为解释星际尘埃的主要成分，在 70 年代就开始长碳链的模拟实 验研究，但对碳原子簇的研究却直到 1984 年罗尔芬等人的实验工作才取得令 人注意的进展.起先人们合成的原子团簇的幻数一般都较小（不超过 30）， 而从这些小的原子团族的研究中无法解释来自星际空间的辐射，于是人们开 始合成包含较多原子数目的中簇或大簇.1984 年，罗尔芬领导的埃克森
（Exxon）石油公司的一个研究小组使用类似赖斯大学研制的团簇发生器，采 用高功率、短脉冲激光使石墨蒸发，用飞行时间质谱仪观察到幻数从 1 到 200 的碳原子团簇的质谱.他们发现，当原子幻数小于 30 时，同时存在奇数和偶 数的团簇；而当幻数大于 30 时，只有偶数数目的原子团簇，并且在原子数 n=60 和 70 处存在明显的特征峰（图 1-6），即产生了包含 60 和 70
个原子的碳团簇，实际上这些团簇就是我们今天所知的 C60 和 C70.然而不幸
的是，埃克森小组将这一现象简单地归结为碳原子团簇的线性链结构而没有 对大的碳团簇（特别是 C60 和 C70）的结构进行认真研究，因而失去了发现 C60 的机会.这事实同时也告诉人们，实验必须与理论相结合，由于过分注重实验 结果和经验而缺乏理论研究与大胆想象，埃克森研究小组与 C60 这一重大发 现失之交臂而将这一荣誉戴到了克罗托和斯莫利等人头上.
意外的发现
1984 年，克罗托访问了他在美国德克萨斯州赖斯大学的同事鲍勃·柯尔
（Bob Curl）.克罗托是英国布赖顿的苏塞克斯大学的波谱学家，长期以来一 直从事星际尘埃的模拟研究.在这次访问中，克罗托结识了斯莫利.斯莫利是 休斯敦赖斯大学的一名化学家，当时他正用自己建造的一台仪器和柯尔等人 对较小的原子团簇进行研究.在斯莫利的实验室里，克罗托看到了他们的实验 装置——激光汽化团簇束流发生器，马上意识到他可以利用这台仪器来产生 长碳链，和柯尔一道开展一项工作，研究由巨碳星产生的浓密的富碳风中长 链碳分子的形成机制.
1985 年 8 月，柯尔打***告诉克罗托实验工作已准备就绪，克罗托立即
收拾行装到了美国.实验从 9 月 1 日开始，在克罗托的指导下，斯莫利的两个 研究生希思（Jim Heath）和奥布赖恩（Sean O’Brien）帮助操作仪器.他们 重复了罗尔芬等人的实验，用大功率的激光蒸发石墨，细心调节从超声喷嘴 中吹出的氦气压力，并让团簇之间发生相互碰撞使之更为接***衡状态，然 后用飞行时间质谱仪测定其质谱.通过精心控制实验条件，到 9 月 4 日，关键 的事情发生了，在质谱上原子质量为 720amu（amu 为原子质量单位）的地方， 出现一个强烈的特征峰，其强度约是邻近信号的 30 倍，同时在 840amu 质量 数的地方也存在一个清晰的信号（图 1-7）.这清楚地表明应有包含 60 个碳
图 1－7克罗托研究小组获得的碳原子团簇的质谱其中 a，
b，c 对应不同实验条件下的情况.从图
中可以清楚地看到 C60 和 C70 的特征峰.子的分子存在，同时也有 C70 分子存
在，只不过其稳定性不如 C60.克罗托等人的实验结果和埃克森小组相差不
多，但他们更加注意原子数大于 40 的团簇的相对丰度，并使 C60 信号更加明
显和突出，而只有微弱的背景信号.尤为重要的是，克罗托等人充分注意到了 这个特征峰，对这个由 60 个碳原子组成的分子到底形成何种结构以至于如此 稳定产生了极大兴趣，并立即致力于探讨这个问题.他们没有像埃克森小组那 样将其归结为链状分子，而是考虑了更为广泛的空间结构，终于导致了“足 球分子”的诞生.克罗托等人本来想研究长链碳分子的形成机制，却得到一个 意外的收获，他们发现了一种迄今为止最圆的分子.
漂亮的“足球”
　　现在摆在克罗托等人面前的问题是，这个由 60 个碳原子组成的分子何以 能稳定存在，即 C60 具有怎样的分子结构以保持其特殊稳定性.由于碳一般显
示 4 价，每个碳原子须与周围原子形成 4 个共价键.C60 不与其他分子反应，
意味着它不存在悬挂键，于是他们推测这种分子可能具有某种球体结构.对此 克罗托和斯莫利研究小组展开了热烈的讨论，最后提出了封闭笼形结构的设 想.据克罗托回忆说，他对富勒的作品非常着迷，因此提到了富勒的短程线圆 顶建筑，他本人曾在家中为他的孩子们制作过短程线圆球形玩具，那是一个 由硬纸板做成的多面体球，上面绘制了一张星空图，他将这个玩具称为“星 穹”，上面既有五边形也有六边形.那是 9 月 9 日星期一中午，克罗托还向柯 尔详细地描述了这个东西，并说它可能有 60 个顶角.然后在星期二，克罗托 返回英国.第二天早上，柯尔打***告诉克罗托，说斯莫利根据“星穹”性质 用纸模型解决了这个问题.据斯莫利回忆说，那是 9 月 9 日星期一，当时已经 是深夜，他到厨房拿了一瓶啤酒，想起克罗托说的五边形是孩子们短程线圆 形玩具的一部分，那么也有可能五边形是碳分子的一部分，并且很多碳的化 合物都包含了五边形和六边形环.于是他返回书房，用纸剪出一些五边形和六 边形，先做成一个碗的形状，然后一步步做成一个半球，这时他的心情十分 激动，因为这种结构看起来既漂亮对称又十分稳固.最后他拼成了一个球形模 型，它有 60 个顶角，具有短程线圆顶结构.这样就诞生了 C60 分子结构的理 论模型.历史往往重复着自己，当初瓦森和克里克用纸模型找到了著名的 DNA 双螺旋结构，今天斯莫利又用同样的方法找到了 C60 分子结构的***.
　　C60 的这种结构虽然既对称又漂亮，那么其化学性质如何呢，每个碳原子 周围只有三个近邻，其双键如何分布？对于 C60 的这个结构，斯莫利打***
请教了赖斯大学数学系主任维奇（W. A. Veech）教授.不久维奇告诉他能够 解释这种结构，并说他得到的 C60 分子模型正好是一个足球.这种具有足球形 状的 C60 分子表面由 12 个五边形和 20 个六边形组成，其稳定性可采用巴克 明斯特·富勒发明的短程线圆顶结构予以解释，因此克罗托建议将这种分子 命名为巴克明斯特·富勒烯（Buckmi ter fullerene），简称富勒烯或巴基 球，由于其外形酷似足球，因而也称之为足球烯（图 1-8）.
图 1－8C60 分子结构模型
　　1985 年 11 月，克罗托、希思、奥布赖恩、柯尔和斯莫利联名在英国《自 然》杂志上发表了一篇文章，题目为“C60：巴克明斯特富勒烯”.这篇文章 堪称 C60 领域的传世之作，其意义可与氧化物高温超导体的发现者贝德诺尔 茨和米勒于 1986 年发表的那篇经典之作相比拟.尽管从我们今天看来，克罗
托他们的那篇文章包含了一些错误之处，但毫无疑义，这一发现宣告了一类 新物质的诞生（尽管它们可能早已存在！）和一个全新研究领域的开始.
应该说，C60 的发现是克罗托和斯莫利等人进行科学合作的结果.克罗托
利用斯莫利制作的团簇发生器装置研究星际空间中长碳链的形成机制，偶然 发现了包含 60 个碳原子的分子.比埃克森小组幸运的是，他们敏锐地意识到
C60 分子的存在，并一同解决了 C60 分子的结构问题，这是科学合作成功的典
§4并非不速之客
　　1985 年，克罗托和斯莫利等人采用在氦脉冲气流中将石墨进行激光汽化 的方法制得了异常稳定的 C60，但其数量极其有限，用这种方法尚不能获得足 够数量的 C60 来研究其性质，因而致使这种美丽的球形分子在发现后最初几 年一直默默无闻.直到 1989 年，霍夫曼和克拉茨奇默等人重新对他们的“骆 驼样品”感兴趣，首次合成宏观数量的 C60 并得到结晶状态的 C60 固体
（fullerite）以后，对 C60 的研究才真正开始.此后人们发现了多种制备 C60
的方法.1991 年 7 月，美国麻省理工学院的霍华德（J. B. Howard）在苯燃 烧后的烟灰中发现了较大量的 C60，人们开始猜测这种球状碳分子能否在富含 碳的自然界中自发形成.起初人们认为这些对称结构的 C60 及其他富勒烯分子 只能在实验室那样的激烈环境中产生或者存在于星际尘埃中.1992 年，美国 科学家布塞克（P. R. Buseck）等人在俄罗斯地区一个数亿年前的地层中发 现了 C60 分子，他们通过高分辨透射电子显微镜，分析俄罗斯圣彼得堡附近 一处富含碳的前寒武纪（Pre-cambrian）时代的岩石，发现了 C60 和 C70 富勒 烯（图 1-9），并称之为“地质富勒烯”（geological Fullerenes）.1993 年，美国科学家又在美国科罗拉多州的一处闪电熔岩中发现了 C60 和 C70 等富 勒烯，在这些样品的正离子飞行时间质谱上存在质量数为 720amu 的信号及其 他质谱峰（图 1-10）.对
图 1-9俄罗斯一处富含碳的岩石样品的激光解吸收谱
图 1-10美国科罗拉多州雪峰岩石样品的正离子飞行时间质谱于这些闪电 熔岩中富勒烯的成因目前并不十分清楚，但一般认为自然界中的闪电可能起 着重要作用.闪电撞击含有机化石的地面，使土壤熔化，可以在地面某一局部 达到富勒烯形成的条件.而对于俄罗斯地区地层中 C60 形成的原因，目前还无 法解释.这些类似煤的岩石中，富勒烯的形成可能有其地质原因或与宇宙作用 有关.同时人们发现一些富勒烯的光谱与来自星际空间的某种神秘辐射相吻 合，表明富勒烯可能存在于星际尘埃中.这些自然界中的富勒烯说明这种碳的 第三种物质形态在自然界早已存在，只不过以前未被人们所认识；同时还说
明 C60 及其他富勒烯在一定条件下是十分稳定的，因为地球上的岩石已有数
亿年历史，历经沧桑.岩石和星际空间的富勒烯可能还预示着，富勒烯也许不 必在像实验室中那样的激烈环境下形成，从而为人们探索制备富勒烯开辟了 新的途径.同时，这些发现还有助于科学家研究星际空间的物质环境及反应机 制，为人类了解宇宙的奥秘提供了重要的科学依据.
第二章C60 的分子结构及对称性
　　1985 年，克罗托和斯莫利等人从实验上发现由 60 个碳原子组成的分子 以后，为了解释这种分子的特殊稳定性，他们设想这种分子的 60 个碳原子形
成 1 个球形三十二面体，其表面包含了 12 个五边形和 20 个六边形，与足球 表面的拼皮花样完全相似①.由于这一结构构成了巴克明斯特·富勒发明的短 程线圆屋顶结构原理的基础，因而被命名为富勒烯，也称巴基球或足球烯.
当初得出 C60 的这种结构完全是一种基于建筑学原理的理论上的解释，后来
的一系列实验证实了克罗托和斯莫利等人的理论设想.这个被认为是迄今为 止最圆的分子由于其漂亮的形状和完美的对称性引起了人们的极大兴趣.C60 分子的这一结构不仅具有对称性方面的意义，而且包含了丰富的物理、化学 内涵，因而使得 C60 领域的研究异军突起，并对物理学、化学和材料科学的 发展都产生了极大的推动作用.
§1确实是一个足球 振动光谱研究
　　C60 的分子结构模型确定以后，就可以根据其对称性所作的理论预测用实 验进行检验.1989 年，霍夫曼和克拉茨奇默等人重新研究他们的驼峰样品 时，他们将注意力转向测量这种试样的红外线吸收光谱，以便根据当时对 C60 足球结构所作的理论预测来检验所得结果.因为我们知道，红外吸收光谱与分 子的振动状况相关，根据 C60 的分子结构，理论计算可以证明，在 C60 分子的
174（60×3-6）个振动模式中，只有 46 个可分辨的振动频率，其中 4 个是红 外激活的，10 个是拉曼激活的.4 个红外活性模的振动频率分别为 527、577、
1183、1428cm-1，10 个拉曼活性模是 1562，1458，1430，1315，1140，776，
708，496，437，274cm-1，其中 496cm-1 的模式对应于 C 原子的径向振动，而
437cm-1 模对应于 C 原子沿球表面的切向振动.当初霍夫曼等人在骆驼试样的 红外吸收谱中观察到 4 条明显的谱线，与根据 C60 分子结构所作的理论计算
完全符合.这不仅从实验上证实了克罗托和斯莫利等人所作的预测，同时表明 这种足球状分子大量存在于他们的骆驼样品中.后来，贝休恩（D. S. Bethune）等人也用拉曼谱和红外吸收谱证实了
对 C60 分子所作的最初结构设想.在 C60 的拉曼谱中，可以明显看到 10 条尖锐 的吸收谱线（图 2-1）.另外，卡佩拉蒂（R. L. Ca elietti）等人的非弹 性中子散射实验（14 条谱线）以及高分辨电子能量损失谱也有力地支持 C60 的分子结构模型.
根据对称性可知，C60 分子中的 60 个碳原子位置完全等价，即只有一种
普通足球一般将五边形涂成黑色，与白色的六边形相比可以明显地看到足球是由五边形和六边形拼接而
成的.通常我们在电视中看到比赛用的足球的表面绘制了各式各样的花纹，但其表面拼皮仍然是由 12 个五 边形和 20 个六边形组成.足球的这一结构不仅外形美观，而且还有助于运动员在踢球时增加摩擦力.
不等价原子，因此在 13C 的核磁共振（NMR）谱中只有一条谱线，其化学位移
为 143PPM，这也为实验所证实.
“小兔子球”——X 射线衍射实验
　　C60 分子的振动谱和核磁共振谱都用实验方法间接证实了 C60 分子的足球 结构，开始人们也试图用 X 射线衍射方法直接测定其结构，然而遇到了困难， 原因是室温下 C60 分子在其格点位置附近作高速无序自由转动，无法测定其 结构.1991 年，美国加利福尼亚大学伯克莱分校的霍金斯（J. M. Hawki ） 教授采用四氧化锇加成物的 X 射线衍射实验第一次测定了 C60 的分子结构.他 巧妙地给 C60 球接上了一个锇的配合物，得到一种 C60 的复合物——形似小兔 子的 C60（OSO4）2（4-特丁基吡啶）2 分子（图 2-2），有效地阻止了 C60 分 子的转动，从而固定了 C60 分子.然后他用单晶 X 射线衍射方法准确地测定了
C60 分子的结构，证实了克罗托和斯莫利当初所作的足球分子的设想.
图 2-2“小兔子球”的分子结构
——C60（OSO4）2（4-特丁基吡啶）2
另外，有人用扫描隧道显微镜（STM）也观察到 C60 球形分子的环状结构，
证明 C60 分子确实是一个足球.
§2C60 的分子结构与成键特征
　　碳是自然界中一种十分重要的元素，是有机化合物的基本组成部分，长 期以来人们认为单质碳存在两种同素异形体：金刚石和石墨，这两种物质都 是由碳原子堆积形成的三维无限网状结构的固体，不存在单个的碳分子.金刚 石中的碳原子形成所谓金刚石结构，相当于在面心立方晶体结构中加上体对 角线上 1/4 处互不相邻的 4 个碳原子，如图 2-3(a)所示.在金刚石中，每个 碳原子有 4 个近邻，由于碳原子通常表现为 4 价，每个碳原子通过与邻近原 子形成 4 个共价键达到稳定结构；石墨则形成层状结构，在每一层内碳原子 形成六角蜂窝状，每个碳原子与周围三个近邻形成共价键，层与层之间结合 较松，是弱的范德瓦尔斯相互作用，层间距约为 3.35 埃（图 2-3(b)）.金刚 石的结构异常稳固，在物理性质上表现为质地坚硬，是典型的绝缘体；而石 墨结构疏松，有良好的导电性能.由 C60 的分子结构我们可以看到，每个碳原 子只有 3 个近邻，那么碳原子之间是如何通过相互作用而形成如此稳定的结 构的呢？与金刚石和石墨相比，C60 具有怎样的成键特征呢？将 C60 分子按面 心立方结构堆砌而成的固体（fullerite）构成了纯碳的第三种形式，由金刚 石与石墨的对比可以看出，同一种物质由于其结构不同，性质也表现出很大 差别.C60 分子的
图 2－3 (a)金刚石的结构(b)石墨的结构
一系列独特性质也是由其结构决定的，因而 C60 分子的结构和成键特征是了
解这种分子及其形成的同体的稳定性及其物理化学性质的基础，这还要追溯 到化学键与轨道杂化等重要概念.
化学键与轨道杂化
　　物质是由大量原子或分子组成的，原子结合成分子或由原子形成固体都 是通过原子间的相互作用而发生的.根据相互作用的不同，一般物质的结合可 以概括为离子性结合、共价结合、金属性结合和范德瓦尔斯结合四种相互作 用.离子性结合靠的是正、负离子之间的相互吸引作用，典型的离子晶体如 NaCl 就是以 Na+和 Cl-离子为单元结合成的；共价结合是靠两个原子各贡献一 个电子，形成所谓共价键，通过共用电子对达到闭壳层的电子结构；而金属 性结合和范德瓦尔斯结合则是分别靠了价电子的共有化和所谓范德瓦尔斯相 互作用而形成的.离子性结合通常发生在金属性较强的元素（如碱金属）与氧 化性较强的元素（如卤素）之间.从Ⅰ族到Ⅷ族元素，随着原子最外层价电子 数目的增加，金属性逐渐减弱，氧化性逐渐增强，到Ⅷ族惰性气体原子由于 具有稳固的满壳层结构，而形成典型的范德瓦尔斯晶体.值得注意的是，Ⅳ族 元素碳(c)、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）等，它们得失电子的 倾向都不明显，这类元素形成固体或与其他元素发生相互作用时表现为典型 的共价性结合.
　　碳是一种典型的共价键结合的元素，石墨和金刚石都是典型的共价晶 体，碳原子在形成固体及与其他原子组成有机分子时总是表现为 4 价.但由碳
原子的电子组态可以看到，碳原子最外层只有两个未配对电子，碳原子核外 一共有 6 个电子，其基态电子构型为 1s22s22p2，其中 1s 和 2s 轨道都是填满 的，剩下的 2 个电子在 2p 壳层，因此只有 2 个电子是未配对的，这样碳原子 似应表现为 2 价.事实上在金刚石和石墨中，以及大量的有机分子中，碳原子 总是表现为 4 价.为了解决碳原子的 4 价及其他一些问题，在量子力学中引入 了轨道杂化的概念.
　　按照量子力学的解释，电子运动方程的解——波函数表示在空间某处发 现电子的几率，通常借用经典物理的概念，将波函数称为轨道.所谓轨道杂
化，是指当碳原子在形成分子时，在基态电子构型（1s2）2s22px12py1 中将 2s
轨道上的一个电子激发到 2pz 轨道使碳原子具有新的电子构型（1s2 ）
2s12px12py12pz1，由这 4 个轨道之间重新混合组成新的轨道去形成化学键，
这就是轨道杂化.在金刚石中发生 3 杂化，即由一个 2s 轨道与三个 2p 轨道
（2px，2py，2pz）混合形成 4 个新的杂化轨道
= 1 / 2(ψ2s
= 1 / 2( ψ2s
= 1 / 2(ψ2s
= 1 / 2( ψ2s
这 4 个轨道的电子云分别集中在四面体的 4 个顶角方向，轨道之间的夹角（键 角）为 109°28′（图 2-4）.这样原来在 2s 和 2p 轨道上的 4 个电子，分别 处于Ψ1、Ψ2、Ψ3、Ψ4 杂化轨道上，都成为未配对电子，可以在四面体顶 角方向形成 4 个共价键，这正是金刚石中碳原子共价结合的情形.具有层状结 构的石墨为 2 杂化，即由一个 s 轨道（2s）和两个 p 轨道（2px，2py）形成 三个共价键，键角为 120°；金刚石中的 4 个共价键及石墨层内每个碳原子 周围的 3 个共价键分别由 3 和 2 杂化轨道的电子云相互重叠形成的
图 2－4金刚石的 3 杂化轨道 较强的σ键，石墨中未参与杂化的 2pz 轨道则形成π电子，将石墨的层与层 之间连接起来.因此金刚石具有异常稳固的结构，物理性质上也表现为各向同 性；而石墨各层内部的相互作用较强，而层与层之间的相互作用则较弱，在 物理性质上也反映出明显的各向异性，是一种典型的层状材料.
芳香球分子
　　理论和实验均已证明，C60 分子结构是一个包含了 12 个五边形环和 20 个 六边形环的球形三十二面体（又称截角 20 面体），其分子点群为 Ih，所有
60 个碳原子全部等价.C60 是三维欧几里得空间可能存在的最对称和最圆的分 子.C60 的高度对称性使得球面上的碳原子能分摊外部压力，因此 C60 分子不仅
十分“稳定”，而且异常坚固，如果将它们以每小时 2.7 万多公里的速度（该 速度与美国航天飞机的轨道速度大致相当）抛掷到钢板上时，它们会沿直线 弹回而不会破裂.C60 的这一性质是由于它的截角二十面体结构使原子高度对 称排列的结果.C60 的结构可以看作在正二十面体每条边的约 1/3 处平截12个 顶角后在新的顶角位置放上 60 个碳原子形成的球形 32 面体（图 2-5），顶
角截去后得到 12 个五边形，原来的 20 个面则形成六边形.C60 是所有由五边 形和六边形形成的球形网络中五边形互不相邻的最小的分子.C60 的分子直径
约 7.1 埃，是一个中空的笼式结构，这使得 C60 笼内可以填入其他原子，形
成各种包合物.
C60 的成键特征比金刚石和石墨复杂.由于球状表面的弯曲效应和五圆环
的存在，引起轨道杂化的改变.与石墨相比，π电子轨道不再为纯的 P 轨道电 子，而是含有一定
图 2-5正二十面体截去顶角后在每个顶点位置
放入一个碳原子即形成 C60 结构
的 s 成分，因此 C60 分子的杂化轨道处于石墨的 2 杂化和金刚石的 3 杂化
之间.C60 分子中每个碳原子和周围 3 个碳原子以 2·28 杂化形成 3 个σ键，
再以 s0.09p 杂化形成一个π键，σ键沿球面方向，而π电子云分布在球的内 外表面（σ键和π键的夹角为 101.64°），形成球状芳香族分子.
C60 是一种有机分子，与平面共轭分子不同，C60 是一球形结构，由于表
面弯曲，影响到杂化轨道的性质，但其上的化学键仍可表示为两类——单键 和双键.所有形成五边形环的键为单键，亦为长键，其长度为 1.46 埃，由于
有 12 个五边形，因此单键一共有 60 个；其余相邻两个六边形环之间的键为
双键，亦为短键，其长度为 1.39 埃，双键一共有 30 个（图 2-6），因此每 个碳原子均与邻近原子形成 4 个共价键，达到稳定结构.每个双键与其相邻五 边形面之间的夹角为
图 2-6C60 分子上交迭排列的单键和双键
? ? cos?1
〔 1 cos( 3 ?)〕
两个相邻六边形所成的夹角为
? ? cos?1
〔 8 (sin( 3
相邻五边形和六边形面所成的夹角则为
? ?(? ? ?) ? ?
由于 C60 不是碳氢化合物，即它不属于有机化学的烃类，因此当初人们
将 C60 的名字用 fullerene（富勒烯）来命名时存在一定的争议.从 C60 的成分
上看它不属于烯烃，但由于其上含有大量的双键，这种由单、双键交替排列 的结构正好体现了烯类的特征，所以人们还是习惯地称之为富勒烯，因为这 不仅反映了 C60 结构上的原理，而且体现了其化学上的本质.
§3对称性与黄金分割
五重对称性
　　正二十面体具有五度对称轴，因而具有截角二十面体结构的 C60 分子有 着显著的对称特征.正五边形的存在使得 C60 具有五重对称性，这在晶体学中 有着十分重要的意义.我们知道，对称性在自然界中普遍存在，晶体具有规则 的几何外形，是晶体中原子、分子规则排列的结果.晶体是由原子按一定的对 称性周期性排列形成的，晶体中原子的规则排列，使得晶体具有各种宏观对 称性，但晶体宏观对称所具有的对称操作又受到一定的限制.我们知道，长方 形、正三角形、正方形以及正六边形都可以在平面内作周期性的重复排列， 但五边形却不可能互相贴紧在平面内作周期性重复排列而不留空隙，如图
2-7 所示.因此在晶体中不存在五重轴，同样也不存在七重以上的对称性，晶 体中只存在 1，2，3，4，6 度对称轴.
1984 年，美国国家标准局（NBS）的夏切曼（D. Shecht- man）等人在
对用快速冷却方法制备的 Al6Mn 合金作电子衍射分析时，发现除了二次及三
次对称花样外，还包含了五重对称的斑点分布，引起了人们的极大关注，并 使人们意识到固体材料除了晶态和长程无序的非晶态外，还存在一种介于晶 态和非晶态之间的物质新凝聚态，因而导致了准晶的发现，向经典晶体学提 出了挑战.
图 2－7正五边形不能周期性地布满空间而不留间隙
　　准晶态的发现与著名数学家彭若斯（R. Penrose）于 1974 年提出的著名 的拼接游戏有关.虽然正五边形不能周期性地重复排列而充满一个平面，但彭 若斯发现如果用两种具有π/5 整数倍角度的四边形（图 2-8）按一定的拼接 规则去铺砌，则可以充满整个平面而不留空隙（图 2-9）.从
这个拼接图我们可以看出，虽然它不具有周期性，但五重对称的图形处处存 在.仔细分析图 2-8 中的两个四边形可以发现，它们相当于将一个菱形切开而 得，这两个四边形的内角均为π/5 的整数倍，而边长只有两个取值，它们的
长度比τ = （1 +5） / 2 = 1.61803?恰好是著名的黄金分割无理数. 这两
种四边形可以有不同的拼接方法，所得的 Penrose 拼接图案虽然不具有周期 性，但也呈现出某种长程序.1981 年，马克（Marckay）将 Penrose 的想法推 广应用到三维.1984 年，当夏切曼等人在铝锰合金中发现五重对称的衍射花 样以后，引起美国宾夕法尼亚州立大学列维（D. Levine）和斯坦哈德（P. J. Steinhardt）等人的注意，因为他们一直在对凝聚态中的二十面体结构进行 理论研究.他们发现一种由铝和锰形成的正二十面结构能够在一定的成分与 范围内存在，基于 Penrose 三维拼接图案，他们提出了准晶的概念，揭示出 固态物质除了晶态与玻璃态（非晶）以外，还存在另外一种新凝聚态——准
C60 分子的五重对称性使其具有特殊的重要性，这种意义体现在 C60 的各
种不同寻常的性质之中，是人们对这种球状分子感兴趣的一个重要方面.
黄金分割律
　　五重对称性是 C60 分子结构的重要本质特征，正二十面体是五重对称在 三维空间的表现.五重对称之所以重要，还因为五边形体现了黄金分割律.黄 金分割由著名的菲波那契（Fibonacci）级数得出，菲波那契级数由 0，0！，
1 开始，以后各数均为其前面相邻两个数之和，即为 0，0！，1，2，3，5，8，
13，21，34，55，89，??从 1 开始，每一个数与其相邻的前
一个数之比逐渐趋于一个极限值τ，τ = （
5 + 1） / 2 = 1.61803?，是
一个无理数.如果我们将一个正五边形的对角线连起来（图 2-10 所示），并 与图 2-8 拼接四边形中的“箭头”和“风筝”作一比较，便可发现正五边形 对角线与其边长之比正好是τ=1.61803?即黄金分割无理数.因此黄金分割 是正五边形的主要性质，二十面体具有空间五度轴，是黄金分割在三维空间 的体现.C60 分子是截角二十面体的球形结构，具有二十面体性质和五重对称
性，因而体现了黄金分割的特征.
　　五重对称和黄金分割在自然界中是普遍存在的.五重对称体现了黄金分 割律，这种性质不仅在无机世界存在，在植物和动物世界中也能到处找到. 黄金分割在人的身上也体现出来，人体的总高度与从肚脐到脚的长度之比大 约为 1.62，据说印度妇女额上的朱砂也体现了黄金分割分布律.埃及大金字 塔底边长大约 230.5 米，高 146.8 米，侧面的倾角为 51°50′，由简单的计 算即可发现，每个侧面与其在底面上投影的面积之比为黄金分割，因而其总 的表面积与底面积之比为黄金分割.这说明古埃及人的智慧已经达到相当高 的水平.在生物世界，作为生物体基本遗传物质的 DNA 也具有五重对称和黄金
分割性质.
C60 作为一种具有完美足球对称性的分子，它的一系列结构特点都给人们
提出了新的课题.C60 的出现开辟了一个新的研究领域，研究 C60 分子的结构特
征，分析这种结构与其物理化学性质的关系，是了解及认识这种漂亮分子的 基础，这方面的研究无论在理论和实用上都有着十分重要的意义.
第三章富勒烯新家族
　　C60 的发现揭示了碳的第三种稳定的新形态，表明以典型共价键结合的碳 原子可以以某种特殊的结构和形状形成稳定的单个分子.进一步的研究发 现，除了最圆的球分子 C60 以外，还存在其他一系列中空全碳分子，此后富 勒烯家族又增加了巴基管及巴基葱等新成员.除了这些全碳分子外，以金属原 子部分取代碳原子的团族分子也已经发现.更为引人注目的是，这种以短程线 圆顶结构原理形成球形或管状分子的性质并非碳原子所独有，有迹象表明不 含碳的富勒烯甚至金属原子团簇都可能存在.因此，富勒烯是一个庞大的家 族，并且还在不断发展壮大.这些球形或管状分子形成了一个独具魅力的研究 方向，开辟了物理学、化学和材料科学研究的新领域.
§1全碳分子家族 中空球状全碳分子
　　在早期研究碳原子团簇的实验中人们就注意到，通过改变实验条件，除 了异常稳定的 C60 分子外在质谱上还可以观察到其他偶数个碳原子的团簇分 子的特征峰，只不过它们的丰度比不上 C60，表明它们不如 C60 稳定.后来的 理论和实验均揭示出，具有与 C60 结构类似的中空笼状全碳分子是一个富勒 烯分子系列，它们的稳定性都可以采用富勒的短程线圆顶结构予以解释.正如 富勒指出，所有这样的圆屋顶球形结构都可以看成由一些五边形和六边形网 络所形成.18 世纪出生于瑞士的俄国数学家莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）曾计算出，任何一个这样的物体都必须恰好具有 12 个五边形方能闭 合成为一个多面体，而对六边形的数目则没有限制.根据拓扑学中的欧拉定 理，对于这样一个由五边形和六边形组成的多面体，其顶点数 n，面数 f 和 边数 s 存在如下关系
n+f-s=2（欧拉定理）(1)
3n=2s(2)
? mf(m) = 2s(3)
其中 f(m)是 m 边形的个数.显然Σf(m)=f，对于由五边形和六边形构成的闭 合球体，m=5 或 6.由上述方程可得出 f(5)=12，这样可将(3)式改写为
5×12+6×f(6)=2s
那么由(2)式得
s=30+3f(6)
n=2s/3=20+2f(6)(4)
当 f(6)=0 时，即不包含六边形，这时 n=20，这是理论上存在的由 12 个五边 形构成的最小的笼形分子 C20.改变六边形的个数，可以构造出许多笼状球分
子，但由(4)式可以看到，由于 n 是 2 的整数倍，所有这样的分子都必须包含 偶数个碳原子，如表 3.1 所示.
表 3.1由五边形和六边形形成的球形笼状分子系列
因此，这种中空笼状碳分子是一个富勒烯分子系列，其分子式可一般地 表示为 C2p+20，其中每种分子的表面包含了 12 个五边形环和 p 个六边形环. 从理论上说，这些球状分子都是可能存在的，但在实验上能否观测到则取决 于它们的稳定性.实验已经发现从 32 左右至 100 以内的碳原子簇都是相当稳 定的，这些分子都采用短程线圆顶结构的形式，而对于原子数在 30 以下的巴 基小球以及巨型富勒烯（包含数百个以上的原子）的存在及稳定性尚待进一 步研究.除了人们熟悉的 C60 以外，C70，C76，C84，C90 以及 C94 等都已被分离 并得到研究，并初步测定了它们的分子几何构型、电子结构和有关的基本参 数，对这些分子的物理化学性质也有了一个基本的了解.
C70 是除 C60 以外另一种稳定的分子，它经常与 C60 同时产生，在质谱上
有较高的丰度.这种分子的结构包含了 12 个五边形和 25 个六边形，由于六边 形数目增加，其结构偏离圆球状，形成比 C60 略扁的橄榄球形状，其分子对 称性为 D5h（图 3-1）.与 C60 相比，C70 的对称性降低，70 个碳原子可分为不 等价的 5 组，其核磁共振谱线分别给出 130.8，147.8，148.3，150.8 和
154.4 m 的化学位移.在霍夫曼和克拉茨奇默等人的骆驼样品中，以及克罗 托等人在激光蒸发石墨棒研究长碳链的实验中，除了主要产物是 C60 以外， 还有相当数量的 C70 产生.在实验制备 C60 的过程中，C70 也总是伴随着 C60 大
量产生，这两种产率最大的分子之间的兄弟般的关系使人想起一个有趣的故 事：从前在现代足球发源地的英格兰，两支球队正在进行一场紧张激烈的比 赛，临近结束时，其中一队仍然领先.这时比分落后的球队的 一名队员求胜心切，竟然忘了足球是用脚踢这一规则，抱起足球直闯对方禁 区.后来人们从他这一严重犯规的事实中得到启发，从而发明了美式足球，即 橄榄球，至今已风靡全美国.由此可见橄榄球是源于足球的一项运动，它与足 球是一对同胞兄弟，这与富勒烯家族中的“足球”C60 和“橄榄球”C70 相比
使人不能不惊叹它们神奇的相似之处；而这类分子用酷爱橄榄球运动的富勒 的名字来命名实在是恰当不过了.
美国洛杉矶加州大学的惠顿（R.Whetten）发现了富勒烯家族的第三位成
员——C76.这种分子的对称性进一步降低，而且稍稍有些扭曲.惠顿在 C76 的
核磁共振（NMR）谱上，发现有 19 个强度相等的峰，表明在 C76 分子上每 4
个原子分为一组，共有 19 组不等价原子，属 D2 分子点群的对称性.C76 是由
一排边界共用的五边形和六边形螺旋形绕成的一个球形分子，C76 的这一复杂
结构使得它具有一些比较独特的性质，如手征性以及光偏振性等. 随着全碳分子中碳原子数目增加，六圆环和五圆环的比例相应增加，分
子的结构也渐趋复杂.C84 是除了 C60 和 C70 以外丰度最高的全碳分子.研究指
出，这种分子可能具有 4 种不同的结构，即存在 4 种同质异构体，它们的外 形分别为四方（Td），六方（D6h），扁平状（D2）以及圆形（D2），如图 3-2 所示.C78 丰度更低，存在两种同质异构体，分子点群对称性分别为 C2v 和 D3h.
　　这种中空笼状球分子构成了富勒烯家族的一个重要分支.除 C60 和 C70 以 外，其他分子因受产率的限制没有进行广泛深入的研究，但初步分析表明， 它们同样具有一些独特的性质，如 C76 的光偏振性和C82 的非线性光学性质等. 而包含数百个碳原子的巴基大球——巨型富勒烯是人们一直研究和探索的目 标，以 C60 为代表的这类笼状球分子给人们展示了一个十分广阔的研究领域， 而一种管状结构的全碳分子的出现则形成了富勒烯研究的另一大热点，并促 使巴基热再度升温.
神奇的巴基管
　　1991 年，日本电气公司基础研究室的饭岛（S. Iijima）在研究巴基球 分子的过程中发现了一种管状结构，并命名为巴基管（buckytube）.他用类 似产生球状富勒烯分子的电弧放电技术，在石墨电极的负极上收集到这种全 碳分子微管.用高分辨电子显微镜可以观察到这种巴基管是由一些同轴的圆 柱形管状碳原子层叠套而成，原子层的数目从二到几十不等；碳原子在管壁 上形成六边形结构并沿管壁方向呈螺旋状，不同巴基管以及同一巴基管的不 同原子层其螺旋度都有所不同，并且这种螺旋结构有助于巴基管的生长.巴基 管的直径在几纳米到几十纳米之间，因而又被称为碳纳米管
（Carbo anotube）.饭岛等人进一步发现，如果这种管状分子上全部都是六 边形的碳环，管子不会封闭，并可向两边继续生长；如果在管子两端包含有 五边形环，将产生 60°的倾斜，并且只需 5 个五边形即可将最小的纳米管封 闭起来（图 3-3）.如果存在七边形环，则向相反方向弯曲（负曲率）；如果 五边形和六边形同时存在，则可形成同心的巴基套管.预计由五边形和七边形 的不同组合可以形成更为复杂的结构.一旦巴基管两端用“帽子”封闭起来以 后，巴基管便不能继续生长.巴基套管的不同直径的管壁间隔的大小与石墨的 层间距相差不多，因而巴基管是一种类石墨的微管.其实碳纳米管早在 70 年 代就在碳纤维的研究中被观察到，不过囿于人们的认识水平没有受到应有的 重视.
巴基管具有一些十分奇特的性质，它具有优异的机械性能，这种纳米微
管的高抗张强度和高度热稳定性的潜在应用价值已为科学家所预见.理论研 究指出，巴基管可以吸附适合其内径大小的任意分子，并对其性质起调制作 用，因而被称为“分子吸管（molecularstraw）”（图 3-4）.更奇妙的是这 种碳微管显示神奇的电子性质，这种物质的导电性质取决于其分子结构的几 何性质，它的电学性能会随着巴基管的长度、直径、卷绕的螺旋度以及是否 吸附其他分子等因素而发生有规则的、奇妙的变化.例如它可以是一种半导 体，也可以成为很好的金属，类似于一个准一维的导体.巴基管的这些性质使 得人们可以通过改变巴基管的分子结构及使其吸附其他物质以控制其电学性 质，因而具有重大的实用价值.
　　日本电气公司的艾贾安（D.M.Ajayan）和饭岛还采用化学方法打开巴基 管两端的碳原子封口，依靠巴基管自身的毛细吸收作用，将液态铅填入巴基 管中（图 3-5），从而制成了世界上最细的丝.这种巴基细丝的直径有些甚至 不超过 2 个纳米，由于巴基管本身独特的机械和电学性能，这种巴基细丝将 在电子元器件和空间技术领域具有巨大的应用价值.英国科学家还发现，采用 在二氧化碳气氛中加热巴基管的方法可以有效地打开巴基管两端的封口，并 剥落巴基套管的碳原子层，直至得到单层巴基管，这使得巴基管可以作为纳 米尺度的试管，并可以研究单层巴基管的性质.后来发现氧化反应也能打开并 剥落一个巴基管.因此人们可以通过在中空的巴基管中填入各种物质改善其 性能，达到应用目的，如制成高强度的纤维，用作催化剂，并可作为物理化 学中一种重要的低维系统.随着巴基管较大量制备方法的发现，这是一片有着 广阔前景的领域.由于巴基管的奇特性质使得“富勒烯热”有很大一部分从巴 基球转移到巴基管上来，富勒烯家族也因此增加了重要的成员，并启发人们 去思考碳是否还以其他的形式和结构存在.
洋葱状富勒烯
　　在 C60 及其他中空球形分子发现之后不久，斯莫利就预测一种称为“俄 罗斯套偶”（这是一种俄罗斯传统玩具，由一系列娃娃形的小木盒套在一起 构成，大套小，最后都套在一个大娃娃里面）的超富勒烯（hyperfullerene） 结构，能够与通常的富勒烯分子一道在激光汽化石墨的过程中形成.这种超富 勒烯的中心是 C60 分子，其外围由具有 240～540 和 960 个原子的富勒烯原子 层封闭叠套起来，并且这种过程可无限继续下去，直到产生一个宏观粒子. 斯莫利的这一设想于 1992 年由瑞士洛桑联邦综合工科大学的电子显微学家 丹尼尔·乌加特（Daniel Ugarte）等人所实现.他们在研究管状碳分子结构 的过程中意外地发现了一种洋葱状富勒烯，并称之为巴基葱（Bucky-Onion）
（图 3-6）.他们采用高强度的电子束对碳棒进行长时间的照射，并仔细调节 高分辨率电子显微镜电子束的强度，观察电子束照射对碳粒子的影响.他们发 现电子束引起碳原子移动，管状分子结构发生分裂并重新组合成同心球面结 构，最后形成一层套一层的洋葱状的巴基球，其中有的巴基葱可包含多达 70
层球面，分子直径达 47 纳米.中心的巴基球常常十分接近于 C60，巴基葱正是
以 C60 为核心生成的同心多层球面套叠结构的分子，在层与层之间存在范德
瓦尔斯力，层间距约为 3.34 埃，与石墨的层间距十分接近.
　　乌加特等人的发现导致了全碳分子家族中一种重要结构形式的出现并初 步解开了来自星际尘埃的神秘辐射之谜.理论研究可以证明，包含较大碳原子 数目的巴基球转化为巴基葱时在能量上更有利.因此这种多层球面结构的洋 葱状分子可能代表了巨大数目的碳原子形成的富勒烯分子中的最稳定形态， 同时也对石墨代表着碳的最稳定形态这种观念提出了挑战.
C60 的高度稳定性来源于它的完美对称性，C60 是所有由五边形和六边形
网络形成的中空球状结构中五边形互不相连的最小的分子，其 60 个碳原子全 部等价，这样使得弯曲的应力均匀分布在所有原子之上，因此以 C60 为核心 的多层球面套叠结构的洋葱状富勒烯代表了碳的稳定形态之一.科学家早就 预见到，星际尘埃的主要成分为碳原子束，但这些尘埃的光谱与已知的碳化 合物，甚至早期发现的巴基球都不相符合.而测量巴基葱的光谱，发现它们和 星际尘埃光谱相符甚好，因此长期困扰人们的星际辐射之谜初步有了***， 看来巴基葱才是星际尘埃的主要成分.科学家还希望通过控制巴基套球层间 的距离以及在层与层之间插入其他原子的方法获得具有新性能的材料.
　　随着巴基管和巴基葱的发现，全碳分子家族在不断扩大，以单个分子形 式存在的碳的第三种形态显示丰富多彩的结构特征，为物理化学研究开辟了 一个崭新的领域.中空球状分子，巴基管和巴基葱一般被统称为富勒烯，然而 人们发现，富勒烯独特的分子结构却并非碳原子所独有，其他原子（或部分 包含碳原子）也能形成这种球形或管状结构，从而为富勒烯家族增添了新的 “外籍”成员.
§2金属——碳原子团簇
除了碳原子能形成笼形球状分子外，实验上还发现了以金属原子部分取
代 碳 原 子 的 金 属 - 碳 原 子 团 簇 分 子 — — 金 属 - 碳 烯
（Metallocarbohedrenes）.1992 年，美国宾夕法尼亚州立大学的化学家卡 斯尔曼（A. Welford Castleman）等人采用激光蒸发金属钛，使带少量烃（如 乙烯）的高速氦气流与金属蒸汽发生相互作用，这时在质谱上可观测到一种
由 8 个钛原子和 12 个碳原子形成的分子 Ti8C12.分析表明，这种金属-碳原子
团簇也形成一个球形笼式结构，其表面由 12 个五边形构成，每个五边形包含
了 3 个碳原子和 2 个钛原子，每个钛原子与 3 个碳原子相连，每个碳原子则
与 2 个碳原子及 1 个钛原子相连，其分子点群属 Th，如图 3-7 所示.研究表
明，这种分子的异常稳定性来源于碳原子之间以及金属原子与碳原子之间的 共价型相互作用.对于 Ti8C12，Ti-Ti 的距离比 C-C 和 C-Ti 的都长，Ti 与 Ti 之间没有成键.后来发现其他金属如锆（Zr）、铪（Hf）和钒（V）等也能与 碳原子形成类似于 Ti8C12 的团簇分子 A8C12（A=Zr，Hf，V 等），这是一种镶 嵌金属原子的富勒烯.
　　由于大量金属原子的存在，这种金属-碳烯将具有一些不同于巴基球的电 子性质.理论计算表明，金属-碳烯显示金属性质并有弱磁性.Ti8C12 具有单一 的传导性能，可用于制造微型信息储存仪器.同时由于分子中的钛原子易与其 他物质化合，它还可以加上各种侧链或其他原子来产生具有特殊性质的新物 质.科学家还认为，金属-碳烯很有可能成为一种有前途的催化剂.
　　人们采用电弧放电技术合成了宏观数量的 Ti8C12 和 V8C12，这些金属-碳 烯在空气中都保持稳定.理论计算表明，Ti8C12 的结合能以及 C-C 键长与 C60 的结合能和 C-C 键长相比都相差不多，因此有理由相信这种金属-碳烯是属于 富勒烯一类的稳定分子团簇.替代碳原子的金属原子的作用是保证这个全由 五边形构成的分子团簇的结构稳定.从理论上说，由碳原子组成的最小笼形球 状富勒烯分子是 C20，其分子球面由 12 个五边形构成，但从化学键方面考虑 则很难满足其稳定要求.在 Ti8C12 中，Ti-C 键比 C-C 键长，说明 Ti8C12 与 C20 相比有所扩张，其半径增大，而金属原子的存在满足了其化学键的要求，因
此 A8C12 是一类非常稳定的、包含金属原子的类富勒烯团簇分子.
§3不含碳富勒烯
　　具有球形或管状结构的富勒烯以及金属-碳烯的出现导致人们对这类特 殊结构分子的浓厚研究兴趣，但这种特殊的结构和形状并非是全碳分子或碳 原子被部分替代的分子团簇所独有，科学家发现，其他元素的原子也能形成 类似富勒烯分子的球形或管状物.1991 年 7 月，以色列魏茨曼科学研究所的 科学家特纳（Reshef Te e）等人首次合成了一种不含碳的笼形管状分子. 当他们在制备用于高性能太阳能电池的二硫化钨时，在电子显微镜下发现二 硫化钨分子显示出某种特殊形状，与当时饭岛等人报道的富勒烯巴基套管的 图象非常相似，同时电子衍射实验和晶格成象技术也证明了这种分子的封闭 笼形管状结构（图 3-8）.类似巴基管，这种二硫化钨分子的管状物也是由一 些同心层叠套形成的，类似一个两端封闭的圆柱体.至于这种无机半导体分子 为什么能形成巴基套管的结构，一般认为加热可使二硫化钨薄层中排列成六 边形蜂窝状结构的原子层发生卷曲，使六边形变为五边形或其他结构，从而 使二硫化钨薄层向内弯曲并封闭成为笼形管状物.
　　由于二硫化钨是一种无机分子，其笼形物可能具有与巴基管不同的性质. 科学家认为这种不含碳的富勒烯管可以在航天应用上用作润滑剂，或者给它 添加锂做成可再充电电池，并期望它在光学方面具有重要应用.这种“名不符 实”的巴基管的发现还将推动纳米管新材料的研究，开辟一个新的领域.
　　另外，美国衣阿华州立大学的塞沃夫（S. C. Sevov）等人还发现，在一 种由金属元素（包括铟、钠、镍等）形成的六面体相中存在由金属原子形成 的球形笼状物，其中包括 D3h 对称的 In74 以及 D3d 对称的 M60（=In48Na12）团 簇（图 3-9）.这些金属笼子内部被其他金属原子团簇所填充，类似洋葱状富 勒烯，然后通过共用五边形面形成密堆结构，成为一种合金相.另外内斯帕（R. Ne er）也在一种合金中发现具有 C3v 对称性的 Al76 球状物存在.这些金属笼 状物虽然不是以自由状态存在，但说明金属原子也能在一定的条件下形成球 形网络结构，这些发现有助于推动人们深入探讨大量其他元素是否能形成类 似富勒烯分子的结构，使富勒烯科学向更宽的广度和更高的深度发展.
§4富勒烯工厂
C60 的制备与分离
　　1985 年，克罗托和斯莫利等人发现了 C60 分子，他们当时用激光蒸发石 墨的方法产生的 C60 数量极微，仅能用飞行时间质谱仪探测到，尚不能获得 宏观数量的 C60 以进一步研究其性质.最初人们采用传统的有机合成方法制备 C60，但没有成功.直到 1989 年霍夫曼和克拉茨奇默等人从他们研究“骆驼样 品”的经历中找到有效较大量制备 C60 的方法，并首次制成 C60 晶体以后，人 们发现了多种实验制备 C60 的方法，C60 的研究才真正全面展开，C60 这种美丽 而神奇的分子，从此不再是可望而不可及了.由于较大量制备 C60 方法的发现 以及人们对这种分子的逐渐认识和了解，这种足球状分子开始引起人们的关 注和兴趣，从而掀起一股 C60 研究热潮.
　　克罗托等人的激光蒸发石墨方法虽然不能获得可用于实验研究的 C60 样 品，但他们用此方法第一次检测到 C60 分子的存在.他们所用的激光汽化团簇
束发生装置如图 3-10 所示，一股脉冲激光束照射到旋转的石墨圆盘上使其蒸 发，从超声喷嘴进入的氦气流使石墨蒸汽冷却，发生相互作用和反应并聚集 成原子簇，然后在氦气气流的作用下喷出，这些碳原子团簇用质谱仪进行分 析即探测到 C60 和其他团簇分子的存在.由于这种产生 C60 的方法产率极小， 人们开始寻找有效制备宏观量 C60 的方法.
　　1989 年，克拉茨奇默和霍夫曼等人重新用他们的石墨电极放电方法制得 了较大量的 C60 和 C70 混合物并首次制成了 C60 薄膜.1990 年他们宣布这一研 究成果以后，C60 的研究和生产便如雨后春笋般地开展起来，人们对这一方法 加以改进，使电弧法成为制备 C60 广泛采用的方法.碳电弧法的实验装置如图
3-11 所示，用机械泵将电弧室抽真空，然后充入 100～200mmHg 氦气，使两 根长约 15cm，直径约 6mm 的高纯石墨棒之间放电，电流强度约 150 埃，有效 电压约 27V.保持电弧稳定与炽热，电弧放电时产生大量的颗粒状烟灰，在气 流作用下沉积在水冷铜套管的内壁，将此烟灰收集起来即得到 C60 和 C70 的混 合物，其中 C60/C70 混合物的含量约为 15～20%.电弧的稳定性与温度、惰性 气体的种类（以氦气为最佳）和压力均对 C60/C70 的产率有重大影响.采取优 化工艺条件，可使 C60/C70 产率达到 44%.
　　碳弧烟灰中 C60/C70 混合物的提纯通常有两种方法：萃取法和升华法.萃 取法是利用 C60 和 C70 可溶于苯和甲苯等有机溶剂和其他非极性溶剂（如 CS2、 CCl4 等），而烟灰中其他成分则不溶的特点，将 C60/C70 从烟灰中提取出来. 溶于苯或甲苯的 C60/C70 混合物溶液呈红褐色，颜色深浅与 C60/C70 含量有关. 将溶液中的溶剂蒸发后，即可得到棕黑色粉末状的 C60/C70 晶状固体，其中约
含 7～13%左右的 C70 升华法是将烟灰在真空或惰性气体气氛中加热到 400～
500℃，使 C60 和 C70 从烟灰中升华出来，凝聚到衬底上，形成褐色或灰色颗
粒状膜，膜的颜色与其厚度有关，在此种膜中约含 10%的 C70. 由于富勒烯分子（尤其是 C60 和 C70）在结构上相似，在有机溶剂中的溶
解度又比较小，因而分离就较为困难.C60 和 C70 混合物从烟灰中提取出来以 后，一般采用液相色谱和高压液相色谱法进行分离，从而得到高纯度的 C60
和 C70 样品（纯度可达 99.9%以上）.纯 C60 甲苯溶液呈绛紫色，纯 C70 甲苯溶 液呈橙***.液相色谱法虽然纯度较高，但效率很低.根据 C60 和 C70 的蒸汽压 不同，用高温真空蒸发法也可部分提纯 C60 和 C70，但纯度不高.
　　电弧放电蒸发石墨棒产生较大量的 C60 以后，人们在此基础上又进行改 进，采用各种方法蒸发石墨，以进一步提高 C60 的产量.泰勒（R. Taylor）
等采用电阻加热方法蒸发石墨，皮特（G. Peters）和詹森（M. Ja en）采 用高频感应加热方法.人们还采用其他一些方法在氦气气氛中蒸发石墨，这些 方法与电弧法相比富勒烯的组成、含量及产率都有所不同.
　　1991 年 7 月，美国麻省理工学院的霍华德教授等发明了一种苯的火焰燃 烧法.他们将苯的蒸汽和氧气混合，在惰性气体环境下引入液压燃烧室燃烧，
在苯不完全燃烧后产生的黑烟中就含有 C60 和 C70，其实验装置如图 3-12 所
示.这种方法比较简单，具有较高的产率，每燃烧 1 千克苯可获得 3 克 C60 和
C70 的混合物，为人们大规模合成 C60 开辟了新的途径.这是首先发现的不用石
墨来制备 C60 的方法，启发人们探索用其他碳的初级物来大量合成 C60.
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希望和梦想 细数索纳塔家族的名字
2009年07月17日 16:41
上海***汽车频道
】 【
自古，名字就有很大的学问，其中寄托着人们的希望。一个好的名字，听起来能让人产生愉快的联想，自然也会引起他人的愉快心理和情绪。对于一个品牌而言，得体的名字又是其彰显个性品位的最好方式。如今，活跃的汽车界中涌现出众多新奇巧妙的车名，成为人们茶余饭后不可缺少的谈资。
近几年，随着社会的进步发展，汽车行业迅速成长壮大，竞争日益白热化。尽管遭遇全球金融风暴的影响，它依然屹立不倒，而韩系车的卓越表现则更为亮眼。今天我们暂且抛开那些刀光血影的争斗，单从
[ ]家族的名字说起，去体会期间的奥秘。
追根溯源
”的名称源于意大利语，是奏鸣曲的意思，它代表着一种乐观、向上、奋进，追求完美的生活态度。这款车在设计之初，设计者就希望她能够集高贵与典雅于一身，充分体现出
人对于经典和实用的渴望。于是，“SONATA”即最完美的诠释着设计者和韩国现代的思想。作为韩国现代汽车开发的最成功
之一，SONATA也成为现代汽车在欧洲和北美市场的开路先锋，它令人印象深刻的工艺标准和过硬的生产质量得到了广泛的市场好评，并获得多项国际大奖。
经典传承
自1985年首次在韩国面世以来，二十年间，SONATA不断突破进取，到如今已经历五次车型改款。2002年
成立，引进了SONATA第四代车型，这也是SONATA最经典、最成熟的车型。引入到中国后，入乡随俗，取了一个中文名——“索纳塔”。很容易看出，这个名字得来容易，就是“SONATA”的音译。为的也是最简单和直接的理由——经典传承。
好名字果然不负众望，仅一年时间就为北京现代带来5.5万辆的销售业绩，使得北京现代迅速站稳市场的脚跟，蓄势发展。
光辉回归
进行了脱胎换骨改造的第五代SONATA，第一时间聚焦了全世界的目光。2005年，北京现代将其引进，为区分继续生产的老款索纳塔，一个新的名字诞生——“索纳塔？
”。“御翔”在中文里是一个十分优美的词语：分开来看，“御”有着高贵的皇家风范，也暗含着其出自京城；“翔”代表了展翅高飞的意思；二者合在一起则又有驾驭飞翔之意。其喻意十分明确，既希望表明这部车的尊贵身份，又期待这部车能够带给驾乘者像飞翔一般的感受。
“索纳塔？御翔”并非其生来就有的名字，说起来，他还有个“曾用名”——“NF？御翔”。这也是源于起初他被定义为比索纳塔更高一级的中级豪华轿车，于是名字中隐去了“索纳塔”字样。但是聪明的
人，根据市场表现快速做出调整，回归到索纳塔家族的光辉历史，正式更名为“索纳塔？御翔”。这一段小插曲非但没惹出什么麻烦，反而更加肯定了“索纳塔”的坚实地位。
中国化打造
从“索纳塔”到“索纳塔？御翔”，北京现代谦恭的引进原汁原味的韩国现代车型，为顺应市场日新月异的变化，北京现代于2008年推出了全新设计的新一代索纳塔。对于象征着品牌价值的名字，不允许有半点马虎，经过反复的商讨确定为“索纳塔？
”，并有请中国著名的国画大师范曾所提，从挥劲有力的中国毛笔书法就看到了它不断向中国化倾斜的
[ ]。领翔，“领”为领袖、引领，喻意索纳塔？领翔引领汽车科技，伴同进取者成就卓越人生；“翔”为飞翔、翱翔，喻意拥有索纳塔？领翔，一切尽在掌控之中的自信和从容。由此可以看出，厂商希望索纳塔？领翔代表尖端汽车科技的结晶，成就“人车合一”的完美境界，以
科技衍生无比自信，从容气度与目标受众相得益彰，可谓用心良苦。
在产品设计前，现代对国内中级车市场用户需求进行了调查，力求从外观到内饰，甚至一些小的功能细节，都可以更好的迎合中国市场，使领翔能得到大部分中国消费者的认可。其代号“NFC”中的“C”是China的意思，也充分的体现了这一点。
自主启航
09年的
上，北京现代以一款代号“BT01”的车型向世人宣告开始自主研发之路。说起“BT01”，当下时髦的新新人类自然会联想到“变态”01的说法，对这个代号来历实在让人很是费解。BT01是北京现代技术中心自主研发的第一个产品，这样我们不妨大胆的猜测一下，“Beijing(B)
Technical(T) Center的第一个项目”。技术中心的专家们都一心放在产品、技术上，想必对这些时髦词汇没有过多顾及，促成了这个让人们过目不忘的代号，也不失妙处。
BT01荣光上市，朗朗上口的中文名必不可少，之前的层层遴选，最终的“
[ ]”众望所归。“名”是著名、闻名；“驭”是