第一章 C60及富勒烯家族的曆史
自然界中的物質形形色色、豐富多彩。由人類已知有限的100多種元素形成如此五彩斑斕、變化萬千的世界，人們驚歎自然的鬼斧神工，其中也有人類的傑作。各種不同元素通過化學作用相互結合形成種類繁多的物質，即使同一種元素也可以形成不同的物質形態。不同物質，同一物質的不同結構和形態會相應表現出不同性質。在不同條件下，一般物質還存在固、液、氣三種狀態。我們看到，物質的不同化學成分和形態以及相應的外部條件是構成自然界多姿多彩的原因。
在與人們關係密切的幾十種化學元素中，碳是一種十分重要的元素，也是有機化合物的基本組成部分。過去人們一直認為自然界中的純碳存在兩種同素異形體——金剛石和石墨，這兩種物質都是由原子堆積構成的網狀固體，不存在單個的碳分子。然而在1985年，克羅托等人一項具有劃時代意義的發現，改變了人們的傳統觀念。以C60為代表的全碳分子係固體的出現宣告了碳的第三種穩定的同素異型結構的誕生，實驗和理論研究揭示出純碳存在多種形式，包括球形、管狀、洋蔥狀等結構，構成一個全碳分子家族，而且有跡象表明這類全碳分子在自然界中早已存在，隻不過以前未被人們所認識。早在20世紀70年代初，日本科學家就從理論上預言有由60個碳原子組成的分子存在，另外還有不少科學家進行過有關C60的實驗和理論研究，遺憾的是，由於科學預見和敏感不夠，有的人甚至臨近C60發現的邊緣而失之交臂。而克羅托等人在一項研究星際空間中長鏈碳分子形成機製實驗中的一次意外收獲導致了C60分子的誕生，正是“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費工夫”。
1富勒烯——名不虛傳
1985年，克羅托和斯莫利等人從實驗上發現由60個碳原子組成的分子之後，為了解釋這種分子的特殊穩定性，他們設想這種分子應具有類似於足球的結構，即這種分子的60個碳原子形成一個中空的球形32麵體（又稱截角二十麵體），其表麵包含了二十個六邊形和十二個五邊形，並將這種分子命名為富勒烯（fullerene），由於其外形酷似足球，又稱之為巴基球（buckyball）或足球烯（footballene）。fullerene這一名稱中的Fuller是美國著名工程師和建築設計師巴克明斯特·富勒（BuckminsterFuller）的姓，ene則是有機化學中烯類的詞尾，因此fullerene翻譯為富勒烯。在科學的曆史上，重大科學成就往往以其發明或發現者的名字來命名，以示對科學先驅和開拓者的尊敬。而克羅托等人將這一重大發現用別人的名字命名，這在科學上恐怕並不多見。C60之所以得到富勒烯這一名字還要追溯到巴克明斯特。富勒對二十麵體的研究和他所發明的著名的短程線圓頂結構的建築原理。
理查德·巴克明斯特·富勒（RichardBuckminsterFuller）（1895～1983）是美國著名的建築力學家和工程師，1895年出生於美國的馬薩諸塞。小時候人們都叫他“巴克（Bucky）”。值得一提的是，富勒從小十分喜愛體育運動，他家鄉所在的密爾頓（Milton）鎮上有一支出色的足球隊，當富勒18歲時，盡管他身材不高，體質較弱，他加入了球隊並於後來成為大學美式足球隊的一名後衛。1913年，富勒帶著良好的學習和體育成績進入哈佛。第一次世界大戰期間他在海軍服役，後來他獲得多項專利並開始經商。1965至1967年期間，富勒在67＇加拿大蒙特利爾萬國博覽會的美國館中工作，設計了著名的美國展館圓頂建築。
富勒早在1948年就對二十麵體作過認真研究，他將二十麵體描繪成由31個大圓交錯排列形成的球麵三角形網絡。他發現二十麵體可以分解為八麵體並進而分解為四麵體，這意味著所有的多麵體都可以分解為基本的結構單元——四麵體。富勒由此找到了三角形與球體之間的聯係，並意識到可以用31個大圓縱橫交錯形成的三角形網絡來做成一個半球形結構或圓屋頂，球體上的三角形表麵正好是四麵體露在外的一麵，這些四麵體均過球的中心且不可分離。我們知道球麵上任意兩點當它們是大圓孤的一段時距離最短，富勒的短程線圓屋頂結構的建築原理體現了他的
(a)1967年加拿大蒙特利爾萬國博覽會美國展館的圓頂建築
(b)青年時代的富勒
協同作用思想，所有這樣的圓屋頂都可以看作一些五邊形和六邊形結構的網絡。富勒在1967年為美國在蒙特利爾萬國博覽會展館設計的圓頂建築的構架就是一個三十二麵體（即截角二十麵體，由五邊形和六邊形構成，C60即具有這樣的結構）的上半部，這樣一種建築設計不僅具有穩定性，而且體現了對稱美。
有趣的是，C60的發現者之一克羅托對富勒的作品非常著迷，尤其是1967年加拿大蒙特利爾萬國博覽會上的短程線圓頂建築給他留下了深刻印象。因此當克羅托等人分析出C60分子的理論模型後，他們便提出用富勒烯來命名，後來又將包括C60在內的全碳分子統稱富勒烯（fullerenes）。由於富勒烯家族中所有分子的穩定性都可以采用短程線圓頂結構予以解釋，加之富勒對足球（美式足球，富勒烯家族中的C70具有與之相似的形狀）的熱愛，可以說，將C60及其家族得到富勒烯這一名字是實至名歸的。
2C60的預言及理論研究
足球形分子
C60雖然在1985年才為克羅托等人所發現，但這種美麗的分子在此之前十幾年就已經開始孕育。根據文獻記載，第一個預言C60分子存在的科學家是日本人大澤（EijiOsawa）。
大澤在前人工作的基礎上並結合自己的理論研究於1970年和1971年用日文發表了兩篇關於超芳香碳氫化合物的文章。在他1970年的論文中，大澤描述了二十麵體和截角二十麵體分子，但他並沒有特別指出是C60，因為他的主要目的是解釋超芳香碳氫化合物。1971年大澤和別人合寫了一本名為“芳香性（Aromaticity）”的書，對這種分子作了更為詳細的描述。1971年4月，巴斯（W。E。Barth）和勞頓（R。G。Lawton）在《美國化學學會雜誌》上發表了一篇文章，提出合成一種心形環狀分子（corannulene）的方法，這種分子在當時引起了人們的注意，因為它由中間一個五邊形環和周圍一些六邊形構成，具有非平麵的碗形結構。大澤於是想到是否能將這種結構加以擴展形成球狀，實現三維芳香性。當他正在思考這種分子的結構時，碰巧他的小兒子正在玩足球，他立即意識到足球上就包含了這種碗形分子。他開始研究這種球狀分子，不久他得出這種結構可以由截去一個二十麵體的頂角得到，並稱之為截角二十麵體，其外形正好是足球拚皮的花樣。在原來日文版的書中，大澤還預言了C60H60分子的存在。我們今天知道，這是完全氫化的C60，這種化合物中由於儲存了大量的氫因而在富勒烯化學中具有重要的應用。
大澤雖然在1970年就預言了C60分子的存在，但遺憾的是，由於語言障礙，他的兩篇用日文發表的文章並沒有引起人們的普遍重視，而大澤本人也沒有繼續對這種分子的研究，因而使得C60的發現已經是15年以後的事了。
截角碳二十麵體
二十麵體、五邊形以及球體這些概念最初體現在巴克明斯特·富勒的協同作用原理中，當初富勒是從建築學的角度考慮這樣一些空間結構的，但這種觀點同樣可以用來解釋一些分子的穩定性及預言某些分子的存在。1972年，在美國科學家易頓（P。E。Eaton）和穆勒（R。H。Mueller）實驗工作的基礎上，兩名俄羅斯科學家布赫瓦（D。A。Bochvar）和蓋爾蓬（E。G。Gal’pern）發表了一篇題為“假想係統：碳十二麵體，S-二十麵體和碳-S-二十麵體”的論文。易頓和穆勒試圖合成一種十二麵體分子，並且，他們從實驗上得到了由六個五邊形環連接構成的十二麵體碎片。在這些工作的啟發下並結合他們自己的研究，布赫瓦和蓋爾蓬提出了假想的截角二十麵體分子，即他們所謂的S-二十麵體，這種分子包含了十二個五邊形、二十個六邊形，有60個頂角，90條邊。他們還采用休克爾（Hückel）分子軌道方法首次對這些分子進行了理論計算，由能態計算結果得出碳-S-二十麵體比碳十二麵體要穩定得多。
我們今天知道，這種碳-S-二十麵體實際上就是C60分子，而易頓和穆勒所設想的十二麵體分子在富勒烯家族中即為全部由12個五邊形構成的最小球形分子C20，這種分子由於化學成鍵的要求影響了其穩定性，因而在實驗上沒有被發現。以後我們會看到，這種全部由五邊形構成的球狀結構可以在富勒烯的近親——以金屬原子部分取代碳原子的金屬—碳原子團簇分子中找到。