给孩子们的礼物：分子共和国与诗词里的科学 | 展卷

撰文 | 王志永

大家好，我是来自分子共和国的碳家族的一个成员，我的名字叫C₆₀。你们一定已经熟知我的两位哥哥一一金刚石和石墨了，他们两位生性稳重矜持，轻易不与共和国的其他公民打交道。而我则不同，我不但身材小巧，讨人喜爱，而且喜欢出去游玩。我在太空中旅行的时候，结识了很多星际分子朋友。其实他们是我的远亲，他们是碳链，而我是碳簇。

我已经记不清我来地球的准确时间了，也许是几亿年以前，也许更早。时间很快到了20世纪。有一次，我在德国看德甲联赛的时候，突然发现他们玩的足球原来跟我的结构是一样的。足球上有12个五元环和20个六元环，如果把足球的60个顶点换成60个碳原子的话，那就是我了。同样是看到了足球的结构，日本人大泽在1971年的时候提出了我的分子结构，并通过理论计算证明我在能量上是稳定的。在此之后的一段时间，一些有机化学家希望通过化学的方法来对我进行合成，可惜都没有成功。

当时，一些天体物理学家正在致力于研究太空分子，比如我下面将要提到的德国的克拉奇默和英国的克罗托。他们感兴趣的是碳链分子，他们所做实验的初衷也是希望合成碳链分子。

1983年，克拉奇默的实验室中两个石墨电极一一通电流一一放出耀眼的火花一一几千度的高温一一这是多么令我激动的时刻一一我被人类合成了！在他们拿到的光谱图上，我给出了我存在的证据，可是这对他们来说还是太难理解了。他们推测我给出的信号可能是来自碳链分子。在眼巴巴地看着他们把我搁置一旁不再理会的时候，我才深切地体会到了什么叫“有缘干里来相会，无缘对面不相识”。

1985年，克罗托来到美国赖斯大学化学家斯莫利的实验室作访问。他希望利用斯莫利的仪器，通过激光蒸发石墨的方法来合成HCC······CCN分子（中间有33个C），却意外地在质谱上发现了我的信号。他们知道我是一种由60个碳原子组成的分子，具体是什么样的结构却使他们感到迷惑。克罗托不仅是一位天体物理学家，他还对美术和建筑感兴趣。在意识到我可能具有三维结构以后，他想起了著名建筑师富勒设计的球形建筑和他的小孩玩的三维拼图。斯莫利连夜用纸片剪出了一些五元环和六元环，发现12个五元环和20个六元环可以拼成一个三维封闭结构，并且刚好有60个顶点！第二天一早，斯莫利等人就这种结构向赖斯大学数学系主任请教，这位系主任说，“孩子们，你们发现的，就是一个足球啊！”很快，克罗托和斯莫利将他们的发现发表在Nature上，为了纪念给予他们灵感的富勒，他们将我命名为“富勒烯”。

其实，我们富勒烯家族除了我以外还有很多成员，比较稳定的有C₇₀、C₇₆、C₇₈、C₈₀，等等。我们的结构中都含有12个五元环。在数学上可以证明，只由一些六元环是不能构成三维封闭结构的。比如我的二哥石墨，他完全由六元环组成，具有一层一层的平面结构。五元环的存在，可以使平面结构发生弯曲。想象一下，在一个五元环周围连上五个六元环（使五元环和六元环共边相连），并且使相邻的六元环也共边相连的话，这几个六元环是要弯起来的，像是一个碗状的结构。这个原理在日常生活中也有体现。不知你们是否见过一种用细竹条编的篮子，它的底和帮是由很多个六元环组成的，而底和帮相连也就是需要弯曲的部分，则有一个五元环。

在我们这些常见的富勒烯家族成员的结构中，还有一个规律，就是五元环之间各不相连，或者说五元环都是被六元环隔开的，这被称为“独立五元环”规则（简称IPR规则）。当两个五元环直接相连时，因为张力太大而不稳定。我C₆₀是满足IPR规则的最小的富勒烯，比我更小的富勒烯如C₅₀、C₃₆等，目前只能在气相实验中被观测到，而不能被宏观量合成。

克罗托等人的论文在Nature上发表以后，人们又在几亿年前的地层中发现了我的存在，并且检测到了从太空中传来的我的信号。但是在克罗托等人的实验完成之后三四年的时间里，关于我的研究一直没有取得很大的进展。这是因为用他们的方法得到的产物中我的含量实在是太少了。

让我们再回到曾经与我擦肩而过的克拉奇默，在1983年与他一同做实验的还有一个人叫赫夫曼。赫夫曼在读到克罗托等人的论文时，才意识到他们当时得到的谱图可能也与我有关，他与克拉奇默重复了以前的实验。这次没有出乎他们的意料，他们确定了在产物中的确有我的存在，并且产量很大。我的命运又一次与他们紧紧联系到了一起，真是“有情人终成眷属”！

下面我对我们富勒烯的化学性质和应用作一下简要介绍。

首先，我们容易获得电子形成负离子。例如，我可以和碱金属反应生成离子化合物，跟钾反应的产物中有K₃C₆₀，钾是正离子，我带三个负电荷。不要小看这个不起眼的化合物，他可是具有超导性，是富勒烯类超导体中的大师兄。可惜的是他在空气中是不稳定的，这是目前研究中面临的一个难题。我和钢反应的另一种产物K₆C₆₀则是绝缘体，我在其中带六个负电荷。这两种化舍物在导电性上的差异是由于电子排布的不同造成的。当我带三个负电荷时，有三个电子是单电子；而当我带六个负电荷时，所有电子都是配对的，没有电子能参与电荷的传递。

另一方面，在我们的碳笼的外面可以通过共价键连接上一些基团。例如我跟氟气反应可以形成C₆₀F₆₀，在每一个C原子上均连接了一个F原子。C₆₀F₆₀是一种耐高温的固体润滑剂。我们富勒烯自身是不溶于水的，但是在修饰一些亲水基团之后，就可以进行生物活性方面的研究。一些富勒烯的衍生物可以跟生物体内的与疾病有关的蛋白质、DNA、自由基等作用，所以将来有望用作药物。比如有一种含有6个羧基（－COOH）的我的衍生物，可以用来治疗老年性痴呆等病症，目前已经进入临床研究阶段。另外我作为电子受体，在连上一个电子给体之后，可以用作光电转换材料，常用的与我结合的物质有卟啉类分子和共轭聚合物等。这类光电材料可以用作太阳能电池，在光电转换效率方面已经取得了令人鼓舞的结果。

再有一点，你们也许已经注意到了，在我们富勒烯的内部是一个空腔。那么能不能在这个空腔内放入一些其他的物质呢？答案是肯定的。俗话说“有容乃大”，从碱金属、碱土金属，到过渡金属，再到一部分非金属，甚至稀有气体，我都可以把他们包进去。包了之后的新结构被称为“富勒烯包含物”，用X@C₂n表示。由于可以包的物质种类很多，所以包含物的性质也非常丰富。例如，活泼的N原子在被我“囚禁”在笼内以后，会稳定地以原子状态存在（N@C₆₀），这在结构及性质上都是值得研究的；稀土元素Gd的包含物可以用作医学上的核磁共振造影剂，与传统的造影剂比较，他的灵敏度更高，并且Gd可以稳定地存在于富勒烯内部，不会释放出来与细胞接触而引起中毒；包有放射性原子的包合物可以用作示踪剂，在医疗上有重要的应用价值等。目前合成包含物最常用的方法跟合成富勒烯的方法基本相似，就是让石墨和被包的物质同时蒸发，在有富勒烯生成的同时也有包含物的生成。再有一种比较暴力的方法，就是直接把要包的物质打入我们体内。聪明的化学家们后来发明了一种更加温柔的方法一一分子手术，他们先用“手术刀”在我的身体上开一个口，然后放进去别的物质，再把开口“缝”上，这样就非常巧妙地做成了包合物。2005年，日本的小松等人利用这种方法成功地在我体内放入了一个H₂分子。

前面我介绍过IPR规则，富勒烯家族大部分成员都满足这个规则，但是在碳笼外进行修饰或者在笼内包入别的物质以后，能够使五元环相连产生的张力得到释放，从而能形成不符合IPR规则的结构。比如C₅₀Cl₁₀（在C₅₀外面连上10个Cl）和Sc₂@C₆₆就是这样的结构。

怎么样？经过我以上的介绍，对我们富勒烯家族有了一些了解了吧？我感觉到，很多科学家不但研究做得好，而且在研究中体现出很高的艺术修养。希望他们能做出更多更好的作品，也希望我们与人类的关系越来越密切。

↓↓长按二维码购买《分子共和国》↓↓

购买链接：

当当：http://product.dangdang.com/25289819.html

京东：https://item.jd.com/12377662.html

↓↓↓长按下方图片关注「返朴」，查看更多历史文章