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[物理史] 富勒烯(Fullerene)的发现

2020-06-10 02:30:10 来源 : O生活权 点击 : 697

有规则、具对称性的几何图形总是迷人,引人遐思。古希腊人以正四面体、立方体、正八面体、正十二面体、以及正二十面体分别代表组成宇宙万物的元素火、土、气、水、和组成天上物质的乙太,统称为柏拉图固体。克卜勒也曾突发灵感,提出由五个柏拉图固体的内外切线组成的宇宙模型,认为这几个内外切球半径的比例就是当时已知六个行星轨道的比例,而称颂它是上帝在天上的伟大杰作。

所以当科学家在 1985 年 9 月宣布发现超级稳定、状如「截角的正二十面体」的碳六十分子时,引起了很大的轰动。那 11 天的发现过程充满了惊奇和意外,令人津津乐道。

故事源自英国萨赛克斯大学的科罗托(Sir Harold Walter Kroto),他主要研究微波频谱学,用以分析太空星球大气层及星际气云的成分。当时他对碳含量高的巨星深感兴趣,在分析其大气谱线时,他发现可将其归因于氰基多炔烃,这是一种由碳和氮组成的长链分子,同样的分子也出现于星际气云中。科罗托认为这些碳化合物源自星球大气,而非星际气云,所以希望对这类长链分子的形成机制做进一步的研究。

[物理史] 富勒烯(Fullerene)的发现

图1 雷射-超音速团簇束仪。脉冲雷射聚焦在石墨盘上,将碳原子打出,混入经小孔喷进的超音速、高密度氦气流束,形成碳团簇进入收集杯,再让其向外膨胀。(科罗托提供修改而成)

1984 年复活节,科罗托到美国莱斯大学访问柯尔(Robert F. Curl, Jr.),柯尔建议科罗托参观他同事暨研究伙伴史莫利(Richard E. Smalley)所研发出的一套雷射-超音速团簇束仪器(图1),可以将物质蒸发为原子气体,进而形成数十个原子聚合在一起的团簇。科罗托认为这套仪器或可用以模拟星球大气中的化学环境,以提供长链碳化合物会在星球大气高温区域形成的证据。他向柯尔解释此想法,柯尔提议大家一起合作研究。

经过了约一年半的準备,科罗托于 1985 年 9 月 1 日抵达休斯顿,立即与柯尔、史莫利、以及学生希斯、欧布莱恩、刘元等人(图2)全力投入实验工作,结果在短短 10 天之内就发现,採用固态的石墨为标靶时(图1),果然可以产生各种偶数碳原子合成的分子。意外的是,由 60 个原子组成的 $$\mathrm{C_{60}}$$ 最多,而且在一些特定情况下,几乎全是 $$\mathrm{C_{60}}$$,并极为稳定,活性极低。研究团队经过反覆推敲讨论,终于在 9 月 10 日达成结论,推测其结构应为「截角的正二十面体」,如类球体的中空笼子,具有 60 个顶点和 32 面,其中 12 面为正五边形,20 面为正六边形(图3)。他们决定取其名为富勒烯,以向 1967 年设计蒙特娄世界博览会短程线拱顶的美国馆建筑师富勒(R. Buckminster Fuller)致敬。

研究团队于 9 月 11 日完成论文的撰写,并于次日投稿到《自然》期刊。《自然》于 11 月 14 日刊出,不到 2 页,标题为〈$$\mathrm{C_{60}}$$ : Buckminsterfullerene〉(巴克明斯特.富勒烯),所以也被简称「巴克球」(Buckyballs)。

由于「截角的正二十面体」的结构极为对称、巧妙,所以实验结果传开之后,引起了大家高度的兴趣。1990 年,物理学家霍夫曼(Donald R. Huffman)和克列斯默(Wolfgang Krätschmer)宣布,将二支石墨棒置于氦气中,加电压产生电弧,以气化石墨将再凝结后的碳气溶解于有机溶液中,即可得到 $$\mathrm{C_{60}}$$ 的结晶,确认了 $$\mathrm{C_{60}}$$ 的推测。1996 年,科罗托、史莫利和柯尔三人同获诺贝尔化学奖。

科罗托家族是波裔犹太人,原名科罗托斯纳(Krotoschiner),后来移居德国,父母在纳粹时期逃至英国。科罗托于 1939 年出生在剑桥郡,1964 年于雪菲尔大学(University of Sheffield)获得博士学位,3 年后,获聘苏塞克斯大学。除了科学外,科罗托还醉心于绘图艺术,有职业的水準。1995 年,他在皇家学会的赞助下,成立了贝加科学信託(Vega Science Trust),录製科学记录片,以推广科学。2005 年,他离开萨赛克斯,在佛罗里达州立大学担任讲座教授迄今。

史莫利于 1943 年出生在美国俄亥俄州艾克隆市,1973 年在普林斯顿大学获得博士学位,1976 年开始在莱斯大学的教研生涯。史莫利的研究主要以分子束及飞行时间质谱仪探讨非有机及半导体团簇的形成机制。发现富勒烯后,他开始研究以铁催化碳奈米管的合成方法,并于 2000 年催生美国国家奈米科技起动计划。2005 年,他因慢性淋巴球性白血病过世。

柯尔于 1933 年出生在美国德州阿利斯城,毕业于莱斯大学,后至加州柏克莱大学深造,1957 年完成博士学位,于 1967 年到莱斯大学任教职。获得诺贝尔奖后,他继续教研工作,他说:「获奖后,或可以成为科学教父,或就科学方向提出新看法,利用名气获取所需资源;但或也可以说:『嗯,我要继续原来喜欢的工作』」。

富勒烯的研究在霍夫曼与克列斯默找出可以大量製造的合成方法后,研究成果突飞猛进,例如发现与富勒烯结构类似的碳奈米管,具有热与电的良导性与惊人的抗张强度等。做为继钻石与石墨之后的第三种碳物质,富勒烯的研究已成为化学的一个领域,它的应用价值有赖科学家进一步的探讨与努力。

从发现富勒烯的故事显示,当不同专长的科学家一起合作时,可能併出的火花会有多幺令人意外与难以置信;而成功的跨国合作也成为科学研究的新趋势。

[物理史] 富勒烯(Fullerene)的发现

图2 《自然》期刊,1985年论文「〈C60: Buckminsterfullerene〉」作者群合影,由左自右为:欧布莱恩、史莫利、柯尔、科罗托与希斯。(科罗托提供)

[物理史] 富勒烯(Fullerene)的发现

图3 「截角正二十面体」模型


原文刊载于物理双月刊2014年10月号36卷第5期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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