“化陈腐为神奇”的克罗托

关于碳的知识，它的无机物并不是很多，但是，讲到有机物，几乎都是碳化物。关于碳的结构，常见的是无定形的碳，还有石墨和金刚石。由于石墨和金刚石的结构相差太大，二者的硬度有天壤之别。

在19世纪下半叶，关于有机物中的苯，它的结构一时很令人迷惑，也令研究者头痛。在1865年，据说，德国化学家凯库勒（1829～1896）曾在梦境之中，看到一条舞动的蛇，它的嘴衔着尾巴，呈现着首尾相连的样子。这启发了他的灵感，为此他提出，由6个碳原子构成的环状的六边形结构。这种苯或苯环化合物对有机化学理论与技术的发展产生了重要的影响。克罗托的“笼形”假设差不多是重演了凯库勒的发现过程，并且为碳“家族”增加了新的成员；而且就像凯库勒研究之后的发展；碳60也衍生出一个庞大的家族，也许可以产生出大量的化工产品。

石墨物贱，但仍未被科学家抛弃，他们研究它，并试图“化陈腐为神奇”，甚至要“点碳成金”。他们还并不只是想一想，而是写出文章，还登载在1966年的《新科学家》（英国的杂志）上。作者把石墨做成空心的样子，像“气球”的样子。两年后，科学家发现，在太空中有大量的有机分子，这种分子也被称为“星际分子”。这是英国非常重要的发现，并被誉为20世纪60年代的四大发现之一。

能不能找到更多种类的星际分子呢？

在凯库勒发现苯环的100多年后，1975年，年轻的英国科学家克罗托就想找到一些新的星际分子。由于恒星进入“晚年”时，就会极度膨胀，变成红巨星。这时，恒星上大量的氢物质被消耗，但这时的核聚变产物已经是碳。因此在太空中的星际分子中应该有大量的碳。克罗托曾设想，如果温度急剧下降，大量的碳原子就会形成一种碳原子链，一种新型的分子。

克罗托的想法会被证实吗？他与助手在观测天体时，发现了一些分子，是有些像碳分子。在1981年的学会会议上，他报告了他们的新发现。同时，克罗托也注意到，有人在实验室中看到含有33个碳原子的分子。这样的碳分子在太空中果然存在吗？

在1984年，克罗托去美国德克萨斯开会，在会上还见到了他的老朋友、赖斯大学的柯尔。会后。他到柯尔家作客，还到书店去“淘书”。不过，在这时，他还一直在想着长长的碳链。在到达柯尔家后，柯尔还把他的一位同事介绍给克罗托。这位同事就是斯莫利（1943～2005）。由于都是同行，他们自然谈得很投机。斯莫利的实验室还有一个制作分子的机器，这也成了他们谈话内容的一部分。柯尔向克罗托介绍了斯莫利的工作。

第二天，克罗托与斯莫利一起到了斯莫利的实验室，并且看到了那“神奇的”机器。克罗托还看到机器合成的新物质。斯莫利还让克罗托看了他们合成的碳化硅。由于碳和硅是同族的元素，化学性质很相似。在这架机器中能不能合成出长长的碳链分子呢？

当克罗托向柯尔谈过之后，柯尔认为，这是一个不错的想法，并向斯莫利提出了合成长链碳分子的想法。斯莫利似乎没有太大的兴趣，斯莫利觉得，对于碳的结构，化学家已经研究得很多了，也取得了许多的成果，还能从中淘出什么“金块”吗？

当克罗托再次到赖斯大学时，他向同行们通报了他们在天体寻找含碳分子的可能性。很快，他们利用这架神奇的机器合成了具有60个碳原子的分子。不过，他们发现的这60个碳原子应是怎样组合起来的呢？

克罗托在思考这个实验时，他想到建筑学家布克曼斯特·富勒的一座建筑。早在1967年，在加拿大蒙特利尔举办过世界博览会。在举办的城市中通常要建一些新式建筑，以彰显这个城市的特色。建筑师们在投标时，都要绞尽脑汁设计出很特别的样式和结构。例如，在2008年奥运会的举办城市北京就建成了名为“鸟巢”的体育场。在蒙特利尔也如此，建筑师富勒设计出一种“古怪的”网格穹顶样式。在博览会期间，克罗托恰在蒙特利尔市做博士后。他经常推着儿童车，载着小儿子在这个“大球”中逛好几圈。

远看上去，“大球”的每个边呈弧形，或看上去像弧形。这些边构成了一个球体，像个“笼子”。可是，这样一个“笼子”的结构是真实的吗？

克罗托、柯尔和斯莫利都在思考着60个碳原子的结构问题。克罗托还曾设想了一种“三明治”的结构，分子有4层原子。每层原子的数量大致是6∶24∶24∶6。不过克罗托马上就发现，这种结构是缺乏活性的。在研究之后，他们发现，如果这些原子形成一个“笼子”那就会很稳定。可是，这样的“笼子”应该是一个什么样子呢？

其实，我们在观察许多东西时，似乎只关心样子，并不注意细节。克罗托在讲到这个网状大球时，也只是回忆起，一些网格是六边形的。可这是如何拼起来的呢？他们就用很“笨”的办法来拼接。克罗托还想起与儿子一起玩拼板的游戏。他剪出六边形的纸板，好像还要一些五边形的纸板。而且要拼出60个格点的大球，克罗托还是有些把握的。

实验人员也试图制作更多的碳60，并且发现，这些碳分子像碳化硅的结构。为此，斯莫利到图书馆去寻找资料，以启发新的思路，特别是要检索出富勒的书，看他是如何设计的。阅读富勒的书，书中有许多图片，的确是受到了一些启发。

克罗托虽然想彻底破解碳60的奥秘，但他在赖斯大学已待的时间太长了，该回英国了。为了感谢赖斯的同行们，克罗托设宴招待大家。在宴席上，碳60仍是一个谈得最多的话题。甚至在宴会后，克罗托还到实验室做最后一搏，以求取得进展。他们中有一些人用牙签扎着小软糖块，或者是用纸板糊起来，但是都没有什么进展。斯莫利回到家中，全无睡意，他就启开了一瓶啤酒，边喝边思索着。克罗托说过，除了六边形，好像还有五边形。

也许是啤酒发挥了作用，斯莫利觉得，先把5个六边形拼接在一起，再加五边形和六边形各5个，这就形成了一个半球形。这时，斯莫利数出了40个格点，已经构成了多半个“球形”；再增加两排五边形和六边形，就只剩下一个五边形的空间了。

斯莫利长长地吁了一口气。他又仔细地数了格点数，正好60个。这个“球”共包括12个正五边形和20个正六边形。这样的形状恰好是一个非常漂亮的球形结构，好像个“笼子”。

到第二天早上，斯莫利来到办公室，他向小组的成员展示了这个纸质的“笼子”。克罗托看过后最兴奋，这与他家中的那个玩具一样。但是，60个碳原子为什么要如此地连接在一起呢？还要认真地研究碳与碳之间的共价键。共价键是科学工作者非常熟悉的，很快，他们就建立起碳60的模型了。

其实，读者中如果有足球运动的爱好者，许多人都知道，这个纸质的“笼子”不过是一个纸质的足球。足球大都是用皮子连缀起来的，其中包含有32块小皮块，12块黑色的五边形皮子，20块白色的六边形皮子。为此，小组中的一个成员特地到商店买了一个足球。果然如此。

下一步是用塑料球和塑料棍把碳60拼接起来，一个真切的碳60模型结构就出来了。这个崭新的结构大大推进了人们对碳的认识，而且竟然像个足球。为此，人们将它命名为“足球烯”。又由于他们受到富勒的建筑的启发，碳60也被称为“富勒烯”。

开始，科学界对这个“怪物”并未理会，关键是，论证这样的结构也不是一件容易的事。到1989年，德国科学家克雷希梅尔在氮气中进行石墨放电，产生了一些“松烟”。他竟然获得了碳原子簇，为全面研究碳60提供了更好的途径。

由于许多科学家都参与了研究，最终，克罗托的假设（笼球）是正确的。这样，对于碳的同质异构体，除了石墨和金刚石之外，人们研制出（人工的）碳60。

进一步的研究，使科学家对这种笼形的球有了更多的认识。尤其是，碳的笼球形结构，其碳原子数并不限于60个。后来，人们又相继发现了碳20、碳24、碳28、碳32、碳36、碳50、碳70、碳84……不过，它们与碳60相比，结构还不够稳定。在这些同质异构体中，较稳定的还有碳70和碳50。

在这些结构中，它们的正六边形和正五边形的个数是不同的，如碳70，它由25个正六边形和12个正五边形组成。碳70也是一个笼球状。经过几何学上的论证，人们认识到，碳20是可能存在的最小的中空笼状分子。

石墨是层状的结构，每个平面层呈正六边形；每层之间的连接很弱，整体上看去没有棱角，折光现象也没有。它的硬度也很低，适宜制作固体中的润滑剂。不过在高温高压下进行锻压时，石墨的结构会发生极大改变，甚至形成金刚石，这样的金刚石被称为“人造金刚石”。虽然品相并不理想，但硬度还是很高的，也可用于制作刀具和钻具等。

碳60的直径只有7.1×10-10米，即0.71纳米，而最邻近的两个球之间的球心距离为1.02×10-9米，即约1纳米。这些位于正五边形和正六边形的碳原子的结合程度非常紧密，而且这些碳原子还可与一些无机或有机的基团结合，以生成众多的衍生物。从碳60的尺寸看，两个球之间的距离与半导体材料的结构有相似之处，这说明，碳60可以在电子材料、通讯材料或计算机元件的开发工作中有所作为。

由于碳60有一个空腔，它可以容纳一些金属原子，以形成一些“包含物”。例如，把钾离子或镧离子装入碳60的“笼子”中。1992年，北京大学的研究人员将锡离子装入碳60的笼球之中，这种包含物具有超导性能，其超导转变温度为-236摄氏度。还有人将碳60与氢反应，生成C60H18，而且还能返回碳60，并形成带负电的碳60离子。利用这样的作用可以制作充电电池。由于这种新型电池的容量很大，而且干净，所以适宜制作汽车的动力，还无污染。