1996年诺贝尔化学奖

1996年的诺贝尔化学奖

（新闻稿）

1996年10月9日

瑞士皇家科学院决定将1996年诺贝尔化学奖颁发给美国休斯敦莱斯大学的Robert F. Curl, Jr教授、英国布莱顿苏塞克斯大学的Sir Harold W. Kroto教授以及美国休斯敦莱斯大学的Richard E. Smalley教授，因为他们发现了富勒烯。

碳原子接壤成球状的发现是值得被表彰的

碳元素的新构造——富勒烯——1985年被Robert F. Curl, Harold W. Kroto 和Richard E. Smalley发现，富勒烯中的原子被排列得类似壳状物。这个“壳”中的碳原子数目是多变的，也正是因为这个原因，大量的新型碳结构逐渐被人们知晓。从前，碳元素的六种同素异形体被人所熟识，即两种石墨，两种钻石，蜡石以及碳（VI）。后面的两种分别在1968年和1972年被人们发现。

富勒烯的形成是在气化碳冷凝于惰性气体的时候。这种气态碳可以通过诸如在碳表面引发强脉冲的激光获得。释放出的碳原子会与氦气流混合，并且结合形成一些少数原子可上百的簇群。这些气体随后会被引入到真空室中，在那里它会伸展并且被冷却到绝对零度以上的不同的温度。然后，这些碳簇可以被质谱分析法所解析。

Curl, Kroto和Smalley带着研究生J.R. Heath和S.C. Obrien在1985年的11天内共同完成了这个实验。通过微调，他们可以合成含有60个和70个碳原子的簇。60个碳原子的簇，C60，是最高产的。他们发现C60很稳定，这便意味着它的分子结构极对称。这表明C60可能是一个多面体剖分格网的球面实体，一个有20个6边形表面和12个5边形表面的多面体。这恰好是足球的形状，也和美国建筑师R. Buckminster Fuller为1967年蒙特利尔世界展览设计的网格状建筑一样。研究人员把这个最新发现的结构命名为巴克敏斯特富勒烯。

Nature杂志上发表了C60独特结构的发现并获得了热情的接受和褒贬不一的评论。没有物理学家和化学家预料到过碳有比所知的化学结构更对称的结构了。随着1985-1990研究的深入，Curl, Kroto和Smalley获得了更多证明这个结构存在的正确性的证据。除此之外，他们还成功通过附上一个或更多的金属原子来识别碳簇。1990年，物理W. Krätschmer 和D.R. Huffman 在氦气中往两根碳棒通入电弧燃烧，用有机溶剂冷凝提取，第一次获得了一定数量的C60。它们包含了C60和C70，这些结构是可以确定的。这证实了C60假说的正确性。因此打开了对C60和其它碳簇如C70、C76、C78、C80化学性质的研究。由于新的和未预料到的特性，这些化合物用来开发了新的物质。在超导和材料化学，天体化学、物理等不同的领域，一个全新的化学分支发展起来了。

背景

许多广泛多样化的研究领域都发现了富勒烯。Harold W. Kroto那时候活跃在微波光谱领域-一门由于射电天文学发展而用于分析气体在恒星大气和星际气体云空间的科学。Kroto对富含碳的巨星特别有兴趣。他调查了大气中的谱线，发现了一种只有碳和氢的长链分子，并把它称为cyanopolyynes。同样的分子也见于星际气体云。Kroto认为这些碳化合物在恒星大气中已经形成，而不是在星际云中形成。他现在想要研究这些长链分子如何形成的更紧密。

他和一位在物理化学重要领域，原子簇化学，有研究的科学家Richard E. Smalley取得了联系。簇是一个介于微观粒子和宏观粒子之间的原子或分子聚合。Smalley已经设计并建造了一种能够气化几乎任何已知材料并使之变成等离子体原子的激光—超声速束光仪。他最感兴趣的是

金属原子的簇，比如，金属包括在半导体里。他经常与有微波和红外光谱学背景的Robert F. Curl 做研究。

原子形成簇

当原子气相冷凝形成集群,形成一系列从含有几个原子到数以百计的原子簇。在极大值分布曲线通常可以看到两个尺寸的簇，一个小的簇和旁边一个大的簇。常常发现锡箔集群大小可能是主宰,原子的数目在这里被称为一个“幻数”—一个核物理术语。这些明显的集群大小被假定拥有一些特殊的属性如高对称。

卓有成效的联系

通过相识的Robert Curl, Kroto他得知可以用Smalley的一起研究碳的气化和簇的形成，这可能帮助他证明长链碳化物是在恒星大气的炎热地区形成的。Crul转达了这点给Smalley,198 5年9月1日，Kroto抵达了Smalley的实验室，和Curl、Smalley一起开始了碳气化的实验。在后续的工作中它被证明可能大幅度影响碳簇的尺寸分布，60和70像奇幻数字一样，成了主要出现的字数（图1）。研究小组现在有别的考虑。C60簇（图2）的结构是一个多面体而不是一个长碳链的想法产生了。因为其极稳定所以认为它是对应于一个封闭的外壳，具有高度对称的结构。在美国建筑师设计的圆顶建筑结构之后，C60被命名为巴克敏斯特富勒烯。这个忙碌的时期在9月12日一个名为C60的手稿发表后结束了。巴克敏斯特富勒烯，自然杂志在1985年9月13日收到了这篇文章，并于9月14日发表了它。

轰动一时的新闻

化学家拟定的这个结构是独特美丽而令人满意的。它单双键交替出现，对应于一个芳香、三维体系中有重大的理论意义。这是传统有机化学研究的一个全新例子：生产高度对称的分子,以研究他们的属性。这理想结构经常被当作一个结构，碳氢化合物已经被合成为四面体,立方或

十二面体(12边)结构。

进一步的调查

为了更清楚的了解，Curl, Kroto 和Smalley继续对C60进行调查。他们试图使它与其他化合物反应。气体,如氢、一氧化二氮、一氧化碳、二氧化硫、氧气或氨被注入这个气体流,但不影响C60峰值记录在质谱仪。这表明,C60是个慢反应化合物。这也证明,所有含有从40 -80偶数碳原子的碳簇(可以研究的区间)的反应同样缓慢。与C60近似的这些化合物应该是一个封闭的结构，很像笼子。这符合欧拉定律这个数学命题，即任何n边形（n是大于22的偶数），至少一个多面体可以由12个五边形和（n-20）/2六边形。简单来说，这表明可能有12个五边形和没有或者不止一个六边形构成一个多面体。因为对于n较大的多边形，这种封闭结构是可能出现的，因此，称C60是最美的对称结构是给了它优先权。结合簇的化学惰性与碳原子的偶数事实和可能是封闭结构的可能性，根据欧拉定律，得出了所有的碳簇都是封闭结构的提案。他们被称作富勒烯和想象一个几乎无限数量的富勒烯可以存在。元素碳已经因此假定有几乎无限数量的不同的结构。

C60和金属

新的实验被迅速设计用来测试C60的假说。因为C60是中空的有容纳一个或多个其它原子的空间，人们试图为它附上一个金属原子。用一个石墨板吸收溶金属盐(氯化镧,LaCl3)溶液用来进行气化冷凝实验。质谱仪分析表明了C60La+的出现。它被证明有抗光性，比如在强激光照射下金属原子没有逃逸。金属原子被捕获在笼形结构中的想法更有说服力。

生产携带金属原子的碳簇的可能性催生了“包装”实验。相同的大小的离子或至少相似的大小都聚集在一个磁阱和受到一个激光脉冲。然后发现,激光光束引起碳笼萎缩2个碳原子。在某一个笼里,当金属原子内部压力过高,分裂停止。然后外壳缩小,直至准确安装金属原子。对于C60Cs+ 尺寸是C48Cs+, 对于C60K+ 尺寸C44K+ 对于C60+尺寸是C32+.

强有力的证据进一步催生新的化学

在1980年代末,强有力的证据证明C60的假设是正确的。90年代在两个石墨电极通过碳气化弧合成宏观量的C60的方法得到了充分的肯定-整个电池的结构测定的方法可以应用于C60和其他富勒烯,完全证实了富勒烯假说。相对于其它形式的碳，富勒烯在一些方面表现出了良好的新性能。一个全新的化学已经发展到操纵富勒烯结构和系统研究富勒烯性能的层面上了。它可以生产C60超导盐、新三维聚合物、新的催化剂、新的材料和电气和光学特性、传感器等等。此外，相同的富勒烯还能生产封闭薄管、纳米管。从理论的观点，富勒烯的发现影响了我们如银河碳循环和古典芳香性等广泛分离科学问题的观念。没有实际有用的应用程序还没有被生产,但这不是能预料的，正如在六年后宏观量的富勒烯变得可用。