[有獎互動]探秘分子共和國：科學界的足球夢想？

元素、分子、反映、化學反映方程式，在大都學生看來是難以理解，死板無味的，然而當他們以一個個有思惟、有豪情、有故事的形象娓娓道來他們的性質、反映、應用時，化學這樣遠在天邊的城堡其實并非可望不成即。本書是中國科學院院士、2008年度國度最高科學手藝獎獲得者徐光憲率領海說神聊京大學化學與分子工程學院師生配合講給孩子的極簡化學課。從“單質一族”的氫氣、氧氣、氯氣，到“無機城市”的硫酸、硝酸、二氧化碳，再到“有機城市”的蘇丹紅、甲醛、苯，活潑介紹了浩繁化學分子中具有代表性的一部門分子的性質、用途、風險，構建了真實的“分子共和國”。以故事的思維趣談分子的布局、性質、轉變及其紀律，以學生看得懂的文字講述了深邃的化學常識。

科學界的足球胡想——C₆₀

撰文 | 王志永

大師好，我是來自分子共和國的碳家族的一個當作員，我的名字叫C₆₀。你們必然已經熟知我的兩位哥哥一一金剛石和石墨了，他們兩位素性穩重矜持，等閑不與共和國的其他公平易近打交道。而我則分歧，我不單身段小巧，討人喜愛，并且喜好出去游玩。我在太空中觀光的時辰，結識了良多星際分子伴侶。其實他們是我的遠親，他們是碳鏈，而我是碳簇。

我已經記不清我來地球的精確時候了，也許是幾億年以前，也許更早。時候很快到了20宿世紀。有一次，我在德國看德甲聯賽的時辰，俄然發現他們玩的足球本來跟我的布局是一樣的。足球上有12個五元環和20個六元環，若是把足球的60個極點換當作60個碳原子的話，那就是我了。同樣是看到了足球的布局，日本人大澤在1971年的時辰提出了我的分子布局，并經由過程理論計較證實我在能量上是不變的。在此之后的一段時候，一些有機化學家但愿經由過程化學的方式來對我進行合當作，可惜都沒有當作功。

那時，一些天體物理學家正在致力于研究太空分子，好比我下面將要提到的德國的克拉奇默和英國的克羅托。他們感樂趣的是碳鏈分子，他們所做嘗試的初志也是但愿合當作碳鏈分子。

1983年，克拉奇默的嘗試室中兩個石墨電極一一通電流一一放出刺眼的火花一一幾千度的高溫一一這是何等令我沖動的時刻一一我被人類合當作了！在他們拿到的光譜圖上，我給出了我存在的證據，可是這對他們來說仍是太難理解了。他們猜測我給出的旌旗燈號可能是來自碳鏈分子。在眼巴巴地看著他們把我棄捐一旁不再理會的時辰，我才深切地體味到了什么叫“有緣干里來相會，無緣對面不了解”。

1985年，克羅托來到美國賴斯大學化學家斯莫利的嘗試室作拜候。他但愿操縱斯莫利的儀器，經由過程激光蒸發石墨的方式來合當作HCC······CCN分子（中心有33個C），卻不測地在質譜上發現了我的旌旗燈號。他們知道我是一種由60個碳原子構成的分子，具體是什么樣的布局卻使他們感應利誘。克羅托不僅是一位天體物理學家，他還對美術和建筑感樂趣。在意識到我可能具有三維布局今后，他想起了聞名建筑師富勒設計的球形建筑和他的小孩玩的三維拼圖。斯莫利連夜用紙片剪出了一些五元環和六元環，發現12個五元環和20個六元環可以拼當作一個三維封鎖布局，而且剛好有60個極點！第二天一早，斯莫利等人就這種布局標的目的賴斯大學數學系本家兒任就教，這位系本家兒任說，“孩子們，你們發現的，就是一個足球啊！”很快，克羅托和斯莫利將他們的發現頒發在Nature上，為了紀念賜與他們靈感的富勒，他們將我定名為“富勒烯”。

其實，我們富勒烯家族除了我以外還有良多當作員，比力不變的有C₇₀、C₇₆、C₇₈、C₈₀，等等。我們的布局中都含有12個五元環。在數學上可以證實，只由一些六元環是不克不及組成三維封鎖布局的。好比我的二哥石墨，他完全由六元環構成，具有一層一層的平面布局。五元環的存在，可以使平面布局發生彎曲。想象一下，在一個五元環四周連上五個六元環（使五元環和六元環共邊相連），而且使相鄰的六元環也共邊相連的話，這幾個六元環是要彎起來的，像是一個碗狀的布局。這個道理在日常糊口中也有表現。不知你們是否見過一種用細竹條編的籃子，它的底和幫是由良多個六元環構成的，而底和幫相連也就是需要彎曲的部門，則有一個五元環。

在我們這些常見的富勒烯家族當作員的布局中，還有一個紀律，就是五元環之間各不相連，或者說五元環都是被六元環離隔的，這被稱為“自力五元環”法則（簡稱IPR法則）。當兩個五元環直接相連時，因為張力太大而不不變。我C₆₀是知足IPR法則的最小的富勒烯，比我更小的富勒烯如C₅₀、C₃₆等，今朝只能在氣相嘗試中被不雅測到，而不克不及被宏不雅量合當作。

克羅托等人的論文在Nature上頒發今后，人們又在幾億年前的地層中發現了我的存在，而且檢測到了從太空中傳來的我的旌旗燈號。可是在克羅托等人的嘗試完當作之后三四年的時候里，關于我的研究一向沒有取得很大的進展。這是因為用他們的方式獲得的產品中我的含量其實是太少了。

讓我們再回到曾經與我擦肩而過的克拉奇默，在1983年與他一同做嘗試的還有一小我叫赫夫曼。赫夫曼在讀到克羅托等人的論文時，才意識到他們那時獲得的譜圖可能也與我有關，他與克拉奇默反復了以前的嘗試。此次沒有出乎他們的料想，他們確定了在產品中簡直有我的存在，而且產量很大。我的命運又一次與他們緊緊聯系到了一路，真是“有戀人終當作家屬”！

下面我對我們富勒烯的化學性質和應用作一下簡要介紹。

起首，我們輕易獲得電子形當作負離子。例如，我可以和堿金屬反映生當作離子化合物，跟鉀反映的產品中有K₃C₆₀，鉀是正離子，我帶三個負電荷。不要小看這個不起眼的化合物，他可是具有超導性，是富勒烯類超導體中的巨匠兄。可惜的是他在空氣中是不不變的，這是今朝研究中面對的一個難題。我和鋼反映的另一種產品K₆C₆₀則是絕緣體，我在此中帶六個負電荷。這兩種化舍物在導電性上的差別是因為電子排布的分歧造當作的。當我帶三個負電荷時，有三個電子是單電子；而當我帶六個負電荷時，所有電子都是配對的，沒有電子能介入電荷的傳遞。

另一方面，在我們的碳籠的外面可以經由過程共價鍵毗連上一些基團。例如我跟氟氣反映可以形當作C60F60，在每一個C原子上均毗連了一個F原子。C₆₀F₆₀是一種耐高溫的固體潤滑劑。我們富勒烯自身是不溶于水的，可是在潤色一些親水基團之后，就可以進行生物活性方面的研究。一些富勒烯的衍生物可以跟生物體內的與疾病有關的卵白質、DNA、自由基等感化，所以未來有望用作藥物。好比有一種含有6個羧基（－COOH）的我的衍生物，可以用來治療老年性癡呆等病癥，今朝已經進入臨床研究階段。別的我作為電子受體，在連上一個電子給體之后，可以用作光電轉換材料，常用的與我連系的物質有卟啉類分子和共軛聚合物等。這類光電材料可以用作太陽能電池，在光電轉換效率方面已經取得了令人鼓舞的成果。

再有一點，你們也許已經注重到了，在我們富勒烯的內部是一個空腔。那么能不克不及在這個空腔內放入一些其他的物質呢？謎底是必定的。俗話說“有容乃大”，從堿金屬、堿土金屬，到過渡金屬，再到一部門非金屬，甚至罕見氣體，我都可以把他們包進去。包了之后的新布局被稱為“富勒烯包含物”，用X@C₂n暗示。因為可以包的物質種類良多，所以包含物的性質也很是豐碩。例如，活躍的N原子在被我“囚禁”在籠內今后，會不變地以原子狀況存在（N@C₆₀），這在布局及性質上都是值得研究的；稀土元素Gd的包含物可以用作醫學上的核磁共振造影劑，與傳統的造影劑比力，他的活絡度更高，而且Gd可以不變地存在于富勒烯內部，不會釋放出來與細胞接觸而引起中毒；包有放射性原子的包合物可以用作示蹤劑，在醫療上有主要的應用價值等。今朝合當作包含物最常用的方式跟合當作富勒烯的方式根基相似，就是讓石墨和被包的物質同時蒸發，在有富勒烯生當作的同時也有包含物的生當作。再有一種比力暴力的方式，就是直接把要包的物質打入我們體內。伶俐的化學家們后來發現了一種加倍溫柔的方式一一分子手術，他們先用“手術刀”在我的身體上開一個口，然后放進去此外物質，再把啟齒“縫”上，這樣就很是巧妙地做當作了包合物。2005年，日本的小松等人操縱這種方式當作功地在我體內放入了一個H₂分子。