富勒体

受克雷奇默来信的鼓励，黑尔现在制备的碳灰试样的那4条红外谱线的可重复性好多了。他系统地调节了一切可以调节的因素，发现当氦气压强超过1.3千帕时，两根石墨棒的接触点离衬底的距离对碳灰淀积物的性质起着至关重要的作用。如果仪器里真的形成了C60，那么当衬底离石墨棒太近时，由于温度太高，衬底上积累的那点C60将随即被赶得无影无踪。

黑尔把这个完全可重复的结果提交给了一个有关星际云的讨论会，这次会议定于1990年3月25日到29日在曼彻斯特举行。比起克雷奇默和赫夫曼在卡普里提交的那篇文章，还有赫夫曼在圣克拉拉认准的那个疯狂念头，黑尔的结果得到的响应积极多了。现在情况不同了，黑尔独立地证实了海德堡蒸发器上得到的结果。

当然，谈论碳灰中是否就有C60现在还带有很大的猜测性，但那4条谱线确确实实存在，而且它们在光谱上的分布与理论预言的足球状C60分子的光谱也确实一样。天文学家撒迪厄斯（Pat Thaddeus）对黑尔说，他觉得苏塞克斯小组的工作“确实有东西”。

在克罗托的鼓动下，黑尔和巴尔姆在随后几个月中分析了来自“乔托”号（Giotto）空间探测器的某些光谱数据，这个探测器于1986年3月穿越哈雷彗星的尾巴。此前，已有一些天体化学家对这些光谱作过分析，并认为它们是由一种特定的分子造成的，但克罗托觉得他们的结论不对。

这并不完全是为了多管闲事。苏塞克斯小组下一步计划是积累尽可能多的那种“特殊”碳灰，从而能得到足以进行各种分析研究的物质量。这意味着要时不时地转转蒸发器的把手，只要红外谱线表现出足够的强度，就把碳灰从衬底上刮下来放进一个小玻璃瓶里，瓶子里的试样正一点点地变多。每隔几天，黑尔就从处理“乔托”号资料的工作中抽空做这件事，几个月下来他已积攒了一小点儿这种特殊碳灰。按克雷奇默的估计，这些碳灰中将含有百分之一以上的C60。

复活节期间，克罗托从教学和行政事务中抽空去了趟加利福尼亚，与UCLA天文系的朱拉一道工作了一个来月。他在那儿认识了迪德里克，这位查普曼从前的博士后刚刚从海德堡回到UCLA化学与生物化学系。迪德里克看上去很激动，他请克罗托到他的办公室去，说有重要的东西要给克罗托看。克罗托半开玩笑地问：“不会是C60吧？”迪德里克没有笑，满脸严肃一动不动地站在那里，他透着几分疑惑地问：“你怎么知道的？”

迪德里克于1985年回到UCLA，这个时候《自然》杂志上那篇文章引起的C60狂潮才刚刚拉开帷幕。几个在查普曼和惠滕小组工作的同事，怀疑赖斯小组实验中观察到的质谱特征可能和足球状C60根本就没什么关系。换句话说，惠滕对探索C60的其他可能结构产生了兴趣，他曾对迪德里克说，由6个C10环有可能形成一个60个原子的平展结构。

迪德里克看不出有什么办法可以制备出C10环，但他认为制备碳—碳单键和碳—碳三键交替的较大的C18和C30在化学上还是可行的。它们是长链聚炔烃的环状等价物，这些长链就像一条咬住自己尾巴的蛇，其一端的悬键已与另一端的悬键结合。迪德里克着手这项工作。1989年9月，他与同事鲁宾（Yves Rubin）、克诺布勒（Carolyn Knobler）、惠滕、施里弗、霍克（Kendall Honk）以及李毅（Yi Li）一起报道他们首次成功地合成了环状C18分子，并描述了它的特征。

和鲁宾、克诺布勒一起，迪德里克随后研究了如何将这一方法推广到更大的环状分子上去。他们最终成功地制备了C18（CO）6、C24（CO）8和C3O（CO）10。这些分子有着共同的基本结构框架：一个单键和三键交替的碳原子环。在这些分子中，一氧化碳基团结合在一个圆滑化的三角形、正方形和五边形的顶角上，这些几何结构的每条边包含一个—C≡C—C≡C—单元。这是所有制备过的最大的碳氧化物分子，而且由于一氧化碳基团比较容易去掉，它们为制备全碳环状分子C18、C24和C30提供了极好的母体。

UCLA小组以各种技术研究了这些氧化物，其中也包括与加州大学里弗赛德分校的卡尔（Michael Kahr）以及威尔金斯（Charles Wilkins）一道进行的激光脱附质谱研究。这项技术采用一台二氧化碳脉冲激光器发出的红外辐射把吸附在表面上的分子揭下来，使之呈气相，然后测量其质谱。与AP2中所使用的激光汽化过程不同，激光脱附过程所需的条件要缓和得多。因为其目的并不是破坏靶的表面并在由此产生的等离子体中形成奇异的新分子，而只不过是想把淀积在固态薄膜或衬底上的已经形成的分子弄下来。

他们发现脱附C18（CO）6分子产生的正离子质谱显示出很强的C18信号，这表明一氧化碳基团在脱附过程中已经由于热效应而被除去了。或许这就是C18环状分子的正离子，尽管现在还无法由质谱数据说出它有怎样的结构。但是，在这张谱上，C36、C50、C60、C70的峰也很显著。对于C24（CO）8，情况也相似，除了这时C24本身的信号没有那么强之外。在这张谱上， C48、C50、C60和C70的信号占据着主导地位，其中以C70最强。对于C30（CO）10，情况有很大的不同，质谱上根本就看不到C30的信号，而C60信号则异常强，得到的又是一张旗杆状的谱。当然，谱上还有一个忠实的C70小信号。

这些分子被认为可以用作全碳环状分子C18、C24和C30的合适母体。通过缓慢的加热，这些氧化物将分解成环状全碳分子和一氧化碳（CO）分子。这些环是长链聚炔烃的环状等价物，这些长链就像一条咬住自己尾巴的蛇，其一端的悬键与另一端的悬键结合在一起，从而不再有悬键。

UCLA—里弗赛德小组的研究人员由此得出结论：上述引人注目的

地形成的。但是，脱附C30（CO）10分子所产生的C60信号如此显著，似乎暗示着发生的主要是所谓的自发“二聚”——由两个C30分子合成一个C60。

这个结果几乎和1985年9月得到的那个结果一样让克罗托感到震惊。它为有关碳链的许多问题，以及AP2中还有（谁又能说清楚呢？）碳灰试样中C60如何形成的一系列不解之谜，提供了一个可能的解释。由链构成环，再由环形成球，这个机制听起来如何？

但同时克罗托又很担心。UCLA小组会不会用这项技术制备出大量的C60呢？这个小组会不会利用C30（CO）10，经简单地加热制备出C30，然后让其以极高的效率自发地二聚，从而得到大量的C60呢？那个单谱线核磁共振谱，克罗托已经梦想了很久。这条谱线是属于他的，他要成为第一个测量并报道它的人，他当然不想在苦等这么多年之后功败垂成。

回到苏塞克斯，克罗托和沃尔顿讨论了UCLA—里弗赛德小组的结果。沃尔顿凭他在长链聚炔烃合成方面的丰富经验安慰克罗托，UCLA的化学家就算真的能通过加速他们的制备流程得到可观的C60，从而进行有意义的化学分析，那也将是一个极端艰难的过程。他们的结果确实令人振奋，而且或许为闭合笼状分子的形成提供了某些关键的解释。但用这个办法想制备大量的C60可没那么容易。但克罗托听后还是怀疑在这场竞赛中自己的步子是不是该迈得更大一点，从而能第一个分离出这种新分子。

威尔金斯和卡尔研究了用二氧化碳激光器发出的红外光脱附表面吸附的碳氧化物时得到的产物。质谱表明，他们得到的东西比他们期望的

导地位。但最让人难以置信的还要算脱附C30（CO）10的结果（下图），

在5月末的那几天时间里，黑尔认为他已攒下了足够的碳灰，可以测量其固态核磁共振谱了。克罗托在苏塞克斯的同事赛登（Ken Seddon）此前不久曾提起过这件事，但克罗托怀疑这一小堆看上去毫无希望的碳灰真的含有足以产生可测量的核磁共振信号的C60。现在克罗托甚至怀疑这个疯狂的念头究竟是不是正确的。他与迪德里克的相遇，时刻提醒他不能干等天上掉馅饼的美事。

黑尔从他精心收集的碳灰试样中取出一点，拿到实验室里的核磁共振仪上进行分析，但仪器出了故障，结果什么也没得到。在他决定利用假日去苏格兰山地徒步旅行之前，他把一小份碳灰试样交给了阿卜杜勒-萨达（Ala’a Abdul-Sada）。阿卜杜勒-萨达是来自伊拉克的博士后，他对质谱很在行。当黑尔在一周后休假结束回来时，阿卜杜勒-萨达激动地对他说质谱上有很强的C60和C70信号。黑尔十分兴奋。克罗托要求证实这一结果，他知道C60很有可能是在取样过程中形成的，因此可能是误导的，让他们误以为碳灰中有C60。但质谱仪就在这个时候垮掉了，实验无法重复。

但黑尔坚信质谱证实了C60的存在。他手上已经有了那4条红外谱线，它们体现了足球状结构的特征。现在又有了一张显示出很强的C60信号的质谱。下一步不过是如何把C60从碳灰中分离出来而已。

6月初的某一天，我给克罗托在苏塞克斯的办公室去了个电话。我看过鲍姆在《化学与工程新闻》1990年2月5日那期上的文章。这篇文章描述了埃伯特和弗伦克拉克如何把有关碳原子团簇的工作和冷聚变相提并论，并把它也斥之为“病态科学”。埃伯特和弗伦克拉克后来在该杂志5月14日发表的一封公开信中声明，他们从未这么批评过碳原子团簇的研究。我觉得如此有趣而众说纷纭的故事实在值得讲给英国科普杂志《新科学家》的读者们听一听，于是决定找克罗托充实些背景资料。由于我曾在化学光谱学领域做过研究，因此我对这个圈子很熟。我和克罗托的私交已经不下7年了。

我们在电话上比较细致地讨论了由碳灰引起的争论，但是，克罗托认为这些都是旧闻了。他觉得隐约之中似乎有什么东西即将使C60的故事再次变得沸沸扬扬。他描述了迪德里克在洛杉矶向他显示的结果，并解释了海德堡—图森小组在碳灰试样中发现的，而且随后在苏塞克斯被他的学生黑尔证实的那4条红外谱线的事。他建议我再等一等，看看下面会发生什么事。克罗托的预感完全被印证了，就在我们还在谈笑风生的时候，在海德堡已石破天惊。

克雷奇默、福斯蒂罗波洛斯和赫夫曼通过书信、传真和电话共同加工了那篇描述他们在三四月份用13C取得的突破的文章。文中总结了12C和13C试样的紫外谱和红外谱提供的证据，并列举了为确保结果的真实性和可重复性而作的各种核查。

他们猜测那些在红外谱上勉强能看得到的谱线可能由C70所造成。直到此时他们才注意到C60与C70之间的联系，而这一点在《自然》杂志1985年那篇论文所报道的飞行时间质谱上是十分明显的。他们猜测碳灰中可能也有一点C70，它可以解释那些额外的红外谱线。他们再次估计碳灰中有百分之一左右是C60。4月末，他们把文章投给了《化学物理快报》，2个月后它发表在7月6日那期上。

与此同时，福斯蒂罗波洛斯开始不断转动海德堡蒸发器上的把手，以收集尽可能多的这种特殊碳灰。他们开始着手从碳灰中分离C60这一艰苦的工作。克雷奇默固执地认为这是他们非做不可的事。

克雷奇默觉得自己似乎被撕成了相互对立的两半，其中的一半相信他们在蒸发器中确实可以制备出大量的C60，而另一半则拒绝接受任何东西，除非它们已经得到明白无误的证明。他最害怕的是，他们白忙乎半天仍然可能是错得愚不可及。他担心整个C60事件会让他出尽洋相。这件事与冷聚变的对比也在不断地折磨着他。

到1990年3月，有关冷聚变的事已蜕化成一大堆未经证实，也不可能去证实的卑劣的谎言，变成了像美国福利制度以及各州政策一样的明摆着的空头支票。对于科学家来说，从中应当吸取的教训是，在你有绝对把握之前，你最好不要对新闻界张扬，搞什么新闻发布会。至今，克雷奇默、福斯蒂罗波洛斯和赫夫曼发表的论文上仅仅给出了一些有趣的新结果以及附带的几个猜测。现在他们必须有绝对的把握，他们必须设法从碳灰中分离出C60。

如果他们是化学家，在一个化学实验室里工作，那么问题就简单多了。但他们却是在核物理研究所工作的天体物理学家，对于如何从碳灰中分离出这种东西在脑子里是一片空白。他们是在错误的场合下的错误人选，但发现又的确是他们做出的。

克雷奇默他们很走运。在完成13C的论文之后，克雷奇默给他在巴黎的同事莱热送了一份手稿。莱热回了个传真，只有一句话——“太棒了！”——随后他和施米特（Werner Schmidt）进行了联系。施米特在一家研究多环芳香烃的研究所工作，他时常为莱热提供这家私人研究所制备的少量奇异的多环芳香烃。

在莱热的催促下，施米特写信建议克雷奇默在真空或惰性气体中加热那些碳灰试样，温度控制在800～900开，看能不能把C60升华出来。或者他们也可以振荡在芳香性溶剂中的碳灰，看看能不能萃取其中的C60。普通碳灰颗粒本身不能溶于这种溶剂，但施米特相信足球状C60的行为应该更像一个大的芳香分子，因此只要溶剂合适，它会很容易溶解的。考虑到苯有致癌作用，施米特建议他们试试毒性小一些的苯的衍生物。

由于不是化学家，克雷奇默和福斯蒂罗波洛斯觉得很难相信分离C60会这么简单，但他们还是决定不管怎么样先试试施米特的建议再说，这么做也不会损失什么。由于他们是在一个物理实验室里工作，施米特建议的那几种溶剂一样也没有，因此他们首先试了试升华法。

5月初的一天，夜已很深了，福斯蒂罗波洛斯把一小点碳灰和一块薄的石英衬底放进一只玻璃试管里。然后他往敞口的管子里注入氩气，以赶跑碳灰上面的空气。他用本生灯的裸焰加热试管的底部。一开始，衬底看上去似乎没什么变化，看不到有任何覆盖物的迹象。但当他更细致地观察时，注意到衬底表面的反光起了变化：有什么东西淀积到上面了。

他已精疲力竭，但他还是坚持测量了光谱。他把衬底放进紫外—可见光谱仪，让仪器对波长进行扫描。他专心致志地观察记录笔在绘图纸上一来一回的运动，平生第二次感受到了科学发现所带来的触电般的震颤。它们就在那儿，那3个最强的、最优美的驼峰，他一直在等着它们呢！而普通碳灰的背景吸收在光谱上则消失了，或者说至少大大降低了。升华法确实奏效：真就这么简单。他成为世界上第一个看到几乎是纯的C60的紫外谱的人。

福斯蒂罗波洛斯（照片中居右者）和克雷奇默在证明他们的论点，即通过简单的石墨蒸发就可以得到C60时候不得不时时保持谨慎。由于种种错误的原因，到1990年3月，冷聚变在世界各地仍然吵得沸沸扬扬。

福斯蒂罗波洛斯把光谱留在克雷奇默的办公桌上，然后回了家，该睡一觉了。

2天后，福斯蒂罗波洛斯和克雷奇默发起了又一轮更猛烈的冲锋。福斯蒂罗波洛斯采用升华法把这种物质分别淀积在石英和硅的衬底上，并且反复测量了它的紫外和红外谱。他证实那4条红外谱线确实在那儿，而且比以往任何时候都强。克雷奇默把最近的进展转告了赫夫曼，赫夫曼把拉姆找来，让他开始重复福斯蒂罗波洛斯做过的某些实验。拉姆很快就证实了紫外谱的结果。

拉姆这时即将完成学位论文的工作。赫夫曼担心碳灰的事在紧要关头会分他的神。但赫夫曼没有其他选择，他是5月18日听到克雷奇默分离C60成功的消息的，这离他动身去巴黎只有2天时间，他需要有人在他走后继续这个问题的研究。

在海德堡，克雷奇默和福斯蒂罗波洛斯发现升华到衬底上的固态物很容易冲洗下来，而且溶于苯。这促使他们开始尝试施米特建议的其他方法。但他推荐的溶剂仍然一样也没有，所以他们继续使用苯。

福斯蒂罗波洛斯把一些碳灰撒进一只装着苯的玻璃试管中，把它放在一个旧离心器上。他打开开关，身体重重地斜压在上面（这是实验室的老规矩），这样机器就不至于抖得太凶。当这一过程结束后，他获得了一种深红色的溶液，颜色像波尔多出产的红葡萄酒。而那些不溶碳灰经压缩后沉在试管底部。福斯蒂罗波洛斯把溶液小心地倒了出来，然后缓缓加热蒸发掉苯，得到一种黑色的粉末。随后他又把这种粉末升华到石英和硅衬底上，发现它的紫外谱和红外谱和以前一样。

克雷奇默和赫夫曼在显微镜下研究了当红色溶液中的溶剂缓慢蒸发时形成的这种新物质的微小晶体。这是一些美丽的橘黄色晶体，形状千姿百态，有的呈六棱柱状，有的呈薄片状，有的像星状的雪花。把一滴这种红色溶液放在显微镜下，赫夫曼和拉姆发现他们确实可以看到溶剂挥发的过程中有晶体在形成。这将是整个富勒烯故事中最有说服力的图像：一种全新形态的碳的晶体正在他们眼皮底下悄然生长。以前可从没人看到过这些东西。

随着富勒烯这一故事的传扬，许多科学家开始把C60以及其他的富勒烯看作是一种新的形式的碳，或者说碳的一种“同素异形体”。赫夫曼认为不该使用这一术语。他们发现的实际上是一系列新的全碳分子。赫夫曼认为，除非你手上已经有了一块这种新的晶体，而且你能证明它与别的碳确实不一样，否则就不能说你得到了一种新的同素异形体。由于这个原因，他和克雷奇默决定给这种固态物取个新的名字。他们叫它“富勒体”（fullerite）