[有奖互动]探秘分子共和国：科学界的足球梦想？

元素、分子、反映、化学反映方程式，在大都学生看来是难以理解，死板无味的，然而当他们以一个个有思惟、有豪情、有故事的形象娓娓道来他们的性质、反映、应用时，化学这样远在天边的城堡其实并非可望不成即。本书是中国科学院院士、2008年度国度最高科学手艺奖获得者徐光宪率领海说神聊京大学化学与分子工程学院师生配合讲给孩子的极简化学课。从“单质一族”的氢气、氧气、氯气，到“无机城市”的硫酸、硝酸、二氧化碳，再到“有机城市”的苏丹红、甲醛、苯，活泼介绍了浩繁化学分子中具有代表性的一部门分子的性质、用途、风险，构建了真实的“分子共和国”。以故事的思维趣谈分子的布局、性质、转变及其纪律，以学生看得懂的文字讲述了深邃的化学常识。

科学界的足球胡想——C₆₀

撰文 | 王志永

大师好，我是来自分子共和国的碳家族的一个当作员，我的名字叫C₆₀。你们必然已经熟知我的两位哥哥一一金刚石和石墨了，他们两位素性稳重矜持，等闲不与共和国的其他公平易近打交道。而我则分歧，我不单身段小巧，讨人喜爱，并且喜好出去游玩。我在太空中观光的时辰，结识了良多星际分子伴侣。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精确时候了，也许是几亿年以前，也许更早。时候很快到了20宿世纪。有一次，我在德国看德甲联赛的时辰，俄然发现他们玩的足球本来跟我的布局是一样的。足球上有12个五元环和20个六元环，若是把足球的60个极点换当作60个碳原子的话，那就是我了。同样是看到了足球的布局，日本人大泽在1971年的时辰提出了我的分子布局，并经由过程理论计较证实我在能量上是不变的。在此之后的一段时候，一些有机化学家但愿经由过程化学的方式来对我进行合当作，可惜都没有当作功。

那时，一些天体物理学家正在致力于研究太空分子，好比我下面将要提到的德国的克拉奇默和英国的克罗托。他们感乐趣的是碳链分子，他们所做尝试的初志也是但愿合当作碳链分子。

1983年，克拉奇默的尝试室中两个石墨电极一一通电流一一放出刺眼的火花一一几千度的高温一一这是何等令我冲动的时刻一一我被人类合当作了！在他们拿到的光谱图上，我给出了我存在的证据，可是这对他们来说仍是太难理解了。他们猜测我给出的旌旗灯号可能是来自碳链分子。在眼巴巴地看着他们把我弃捐一旁不再理会的时辰，我才深切地体味到了什么叫“有缘干里来相会，无缘对面不了解”。

1985年，克罗托来到美国赖斯大学化学家斯莫利的尝试室作拜候。他但愿操纵斯莫利的仪器，经由过程激光蒸发石墨的方式来合当作HCC······CCN分子（中心有33个C），却不测地在质谱上发现了我的旌旗灯号。他们知道我是一种由60个碳原子构成的分子，具体是什么样的布局却使他们感应利诱。克罗托不仅是一位天体物理学家，他还对美术和建筑感乐趣。在意识到我可能具有三维布局今后，他想起了闻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个六元环可以拼当作一个三维封锁布局，而且刚好有60个极点！第二天一早，斯莫利等人就这种布局标的目的赖斯大学数学系本家儿任就教，这位系本家儿任说，“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颁发在Nature上，为了纪念赐与他们灵感的富勒，他们将我定名为“富勒烯”。

其实，我们富勒烯家族除了我以外还有良多当作员，比力不变的有C₇₀、C₇₆、C₇₈、C₈₀，等等。我们的布局中都含有12个五元环。在数学上可以证实，只由一些六元环是不克不及组成三维封锁布局的。好比我的二哥石墨，他完全由六元环构成，具有一层一层的平面布局。五元环的存在，可以使平面布局发生弯曲。想象一下，在一个五元环四周连上五个六元环（使五元环和六元环共边相连），而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，像是一个碗状的布局。这个道理在日常糊口中也有表现。不知你们是否见过一种用细竹条编的篮子，它的底和帮是由良多个六元环构成的，而底和帮相连也就是需要弯曲的部门，则有一个五元环。

在我们这些常见的富勒烯家族当作员的布局中，还有一个纪律，就是五元环之间各不相连，或者说五元环都是被六元环离隔的，这被称为“自力五元环”法则（简称IPR法则）。当两个五元环直接相连时，因为张力太大而不不变。我C₆₀是知足IPR法则的最小的富勒烯，比我更小的富勒烯如C₅₀、C₃₆等，今朝只能在气相尝试中被不雅测到，而不克不及被宏不雅量合当作。

克罗托等人的论文在Nature上颁发今后，人们又在几亿年前的地层中发现了我的存在，而且检测到了从太空中传来的我的旌旗灯号。可是在克罗托等人的尝试完当作之后三四年的时候里，关于我的研究一向没有取得很大的进展。这是因为用他们的方式获得的产品中我的含量其实是太少了。

让我们再回到曾经与我擦肩而过的克拉奇默，在1983年与他一同做尝试的还有一小我叫赫夫曼。赫夫曼在读到克罗托等人的论文时，才意识到他们那时获得的谱图可能也与我有关，他与克拉奇默反复了以前的尝试。此次没有出乎他们的料想，他们确定了在产品中简直有我的存在，而且产量很大。我的命运又一次与他们紧紧联系到了一路，真是“有恋人终当作家属”！

下面我对我们富勒烯的化学性质和应用作一下简要介绍。

起首，我们轻易获得电子形当作负离子。例如，我可以和碱金属反映生当作离子化合物，跟钾反映的产品中有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巨匠兄。可惜的是他在空气中是不不变的，这是今朝研究中面对的一个难题。我和钢反映的另一种产品K₆C₆₀则是绝缘体，我在此中带六个负电荷。这两种化舍物在导电性上的差别是因为电子排布的分歧造当作的。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，没有电子能介入电荷的传递。

另一方面，在我们的碳笼的外面可以经由过程共价键毗连上一些基团。例如我跟氟气反映可以形当作C60F60，在每一个C原子上均毗连了一个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，可是在润色一些亲水基团之后，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卵白质、DNA、自由基等感化，所以未来有望用作药物。好比有一种含有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，今朝已经进入临床研究阶段。别的我作为电子受体，在连上一个电子给体之后，可以用作光电转换材料，常用的与我连系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成果。

再有一点，你们也许已经注重到了，在我们富勒烯的内部是一个空腔。那么能不克不及在这个空腔内放入一些其他的物质呢？谜底是必定的。俗话说“有容乃大”，从碱金属、碱土金属，到过渡金属，再到一部门非金属，甚至罕见气体，我都可以把他们包进去。包了之后的新布局被称为“富勒烯包含物”，用X@C₂n暗示。因为可以包的物质种类良多，所以包含物的性质也很是丰硕。例如，活跃的N原子在被我“囚禁”在笼内今后，会不变地以原子状况存在（N@C₆₀），这在布局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，与传统的造影剂比力，他的活络度更高，而且Gd可以不变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，在医疗上有主要的应用价值等。今朝合当作包含物最常用的方式跟合当作富勒烯的方式根基相似，就是让石墨和被包的物质同时蒸发，在有富勒烯生当作的同时也有包含物的生当作。再有一种比力暴力的方式，就是直接把要包的物质打入我们体内。伶俐的化学家们后来发现了一种加倍温柔的方式一一分子手术，他们先用“手术刀”在我的身体上开一个口，然后放进去此外物质，再把启齿“缝”上，这样就很是巧妙地做当作了包合物。2005年，日本的小松等人操纵这种方式当作功地在我体内放入了一个H₂分子。