本周末，英国化学家哈里·克罗托爵士 去世，享年76岁。他是巴克球的共同发现者，巴克球是一种由60个原子组成的碳的同素异形体，形状像“一个空心的足球”。这项发现为克罗托和他的团队赢得了诺贝尔化学奖。这篇由爱德华·埃德尔森撰写、最初发表于《Popular Science》1991年8月刊的封面故事，探讨了巴克球是如何被意外发现的，以及在1991年对于科学家们来说，它的未来可能性。
在亚利桑那州图森市一栋改造过的矿业建筑里的一间小房间里，一场化学革命正在进行，一位穿着脏污工作服、戴着口罩的女士正一丝不苟地刮擦着金属容器上的烟灰。
虽然这东西看起来并不令人兴奋，但这却是世界上第一个“巴克球”——一种新发现的奇特材料的生产设施。它具有如此非凡的潜力，以至于全国各地的化学家和物理学家都排着队，以每克1200美元的价格购买这种材料，这大约是黄金价格的一百倍。
“这是我能想象到的化学界最大的新闻，”洛杉矶加州大学的罗伯特·惠顿惊叹道。
原因何在？除了构成大部分烟灰的普通碳颗粒之外，还存在一种具有独特结构的碳分子，这与之前已知的两种碳同素异形体完全不同。
一种新碳形式的发现令大多数科学家感到震惊。碳是所有元素中研究最深入的元素，因为它是大多数生命分子——有机分子的基础。翻阅任何一本化学教科书，你都会读到，几个世纪的研究表明，碳只有两种基本结构：坚硬、闪亮的钻石，其碳原子排列成小金字塔；以及暗淡、柔软、光滑的石墨，它由碳原子六边形的片层组成。
那些化学教科书现在已经过时了。存在一种新的基本碳形式，其结构几乎令人难以置信：它的60个碳原子构成了一个看起来像空心足球的东西。它是唯一一种由单一元素形成的球形笼状分子。
这个分子的正式名称是富勒烯（buckminsterfullerene），因为它形似美国著名思想家巴克敏斯特·富勒发明的测地线穹顶。非正式地，化学家们称它为巴克球（buckyball）或C-60。它的原子排列成由正五边形和正六边形组成的集合——精确地说，是12个正五边形和20个正六边形。它是最近发现的一系列具有相关几何形状但碳原子数量不同的类似分子家族中的一员。科学家们将整个家族称为富勒烯；许多化学家和物理学家正在全力以赴地揭示它们的性质。
不仅仅是智力上的突破，正如几年前高温超导体的发现一样，它极大地激发了科学界。更重要的是，巴克球的性质有望带来丰富多彩的有价值的应用前景。
“对于化学家来说，这就像圣诞节，”休斯顿莱斯大学的理查德·斯马利（巴克球领域的主要参与者之一）欣喜地说。为了解释，他回忆起1825年苯的发现。苯分子是一个相对简单的六碳环，但它是无数化合物的母体，从阿司匹林到鼻塞药，再到油漆、染料和塑料——所有这些都是通过对这个六碳环进行加工而制成的。现在，化学家们希望能用这个比苯大至少10倍的新型碳分子家族施展同样的魔法，因此，其可能性甚至更大。
“现在不是1825年了，”斯马利说。“这就像发现了苯，只是现在你有20世纪90年代所有的技术和科学仪器。”
研究人员现在清楚地知道，C-60分子非常稳定，能够抵抗放射性和化学腐蚀。它还能贪婪地接受电子，但又不排斥释放电子。这些以及其他属性已经让科学家和工程师们开始猜测，未来可能出现微型滚珠轴承、新的癌症治疗方法、轻质电池、强大的火箭燃料，以及在以碳原子为骨架的塑料和其他有机化合物领域无限的可能性。
一种用于癌症患者抗肿瘤治疗的方案是，将放射性原子包裹在巴克球内部。碳屏障将有助于在注射后保持放射性同位素的完整性。斯马利已经用其他元素替换了球体中的一些碳原子，创造了半导体的“掺杂球”。将硅掺杂外来原子，就是将硅变成晶体管中的半导体。
斯马利谈到的另一个想法是，通过将锂原子和氟原子——它们结合时会产生能量——包裹在巴克球笼中，来创造一个超强电池，以保护它们免受空气中氧气的侵蚀。其他研究人员则设想通过剥离新分子中的一些电子来制造电池。
科学家们推测，将巴克球串联起来，可以作为新型塑料的基础。他们梦想着通过将不同的原子或化学基团挂在60个碳原子上，以百万种方式改变分子。“它是制造全新有机化合物家族的起始材料，”加州大学圣巴巴拉分校的有机化学家弗雷德·伍德尔说。
巴克球发现背后的故事与其结构一样奇特。这是一个关于一次看似导向死胡子的灵感猜测、充满创造力的深夜工作、多年一丝不苟的辛勤耕耘最终导致意外突破的故事。这是一个跨越两大洲、历时五年多应用努力的故事。
回到1984年的莱斯大学，斯马利领导的一个团队正在研究原子团簇的性质，这些原子团簇比分子大，但比可见固体小。斯马利团队使用的是他们发明的一种不寻常的设备，称为激光超声团簇束装置。它是一个钢制的真空室，里面有一个空心的钢块。放在钢块内的样品会受到一次非常强烈、短暂的激光能量脉冲的照射，将其汽化。在照射的瞬间，一小股惰性氦气会将汽化后的材料输送到另一个激光器，该激光器通过剥离电子来电离团簇。然后，这些团簇被送入一个称为质谱仪的分析仪器，该仪器会给出它们尺寸的读数。斯马利当时正在对包括硅在内的各种元素使用这种机器。
当时，英国苏塞克斯大学的哈里·克罗托正在莱斯大学访问，他建议将碳添加到斯马利团队正在轰击的元素列表中。克罗托对此感兴趣，因为他正在研究星际空间中长链碳分子可能的起源；他发现在恒星间的尘埃中存在一种九碳分子。他推测，碳分子可能在富含碳的红巨星的大气熔炉中形成。（当一颗恒星燃烧了约10%的氢燃料时，它会膨胀成更大的尺寸，变得更红、更亮。当我们的太阳在数十亿年后变成一颗红星时，它将吞没水星和金星。）克罗托认为，斯马利产生的温度高达数万度——比红巨星表面还要热——的设备是实验室复制该熔炉的一种方法。
斯马利的小组一年后才开始研究碳，部分原因是埃克森研究与工程公司的一个团队当时已经在用一台莱斯大学制造的机器研究碳；斯马利希望避免重复工作。
当斯马利的小组在克罗托的加入下轰击碳时，结果令人震惊。他们原本预计会像埃克森公司的人发现的那样，得到一个随机的、无趣的碳团簇集合。其中大部分包含2到30个碳原子，还有一些包含偶数原子的更大团簇。在10个碳原子间隔处也有增加的数量：50、60、70个碳团簇。
但是，60个碳原子的团簇有些奇怪，引起了他们的注意。在他们的样品中，60个碳原子的团簇比随机形成的多得多——比任何其他偶数碳原子的团簇多三倍。在这一发现的驱使下，斯马利的一名研究生吉姆·希思花了一个周末来开发一种提高C-60团簇产率的方法；他发现可以通过调整实验来使C-60的产量比任何其他偶数碳原子的团簇高40倍。
当莱斯大学的化学家们讨论这些结果时，他们提出了两个问题：为什么是偶数团簇，为什么有如此多的碳-60？一种解释是他们正在制造碳“三明治”，即含有大量原子的平面材料，由类似石墨的六边形基团组成。但是，斯马利回忆道，这样的平面分子在其末端会有未连接的悬空化学键，而且似乎没有办法将它们固定住。
而且，为什么这样一个开放式团簇恰好有60个碳原子，不多也不少？
莱斯大学团队中的一员——没有人记得是谁——提出，碳-60团簇实际上不是团簇，而是一个分子，并且是一个空心球状的分子。也许他们谈论的那些平面实际上会卷曲成一个球体，看起来会像一个测地线穹顶。这样就能解决悬空键的问题。斯马利曾看过一张巴克敏斯特·富勒的测地线穹顶照片，上面有六边形单元，他认为这种几何形状值得尝试。
希思花了一晚上和妻子一起用橡皮泥和牙签试图组装一个C-60分子，这项工作很粘，最终也没有什么成效。
与此同时，斯马利坐在电脑前，试图生成一个60原子碳球的模型结构。经过几个小时的工作，他一无所获。沮丧之下，他开始用律师函纸剪出边长一英寸的规则六边形，试图用它们制作一个球体。没有成功。当他拿起一瓶午夜啤酒时，他想起了克罗托说过，他曾为他的孩子们建造过一个测地线穹顶，其中可能包含规则的五边形和六边形。于是斯马利剪出一个五边形，开始在它周围排列六边形，添加更多的五边形和六边形，一边工作一边用胶带将脆弱的纸片粘合起来，最后，在做到一半时，他发现他已经做出了点东西。
“我的心怦怦直跳，”斯马利回忆道。“除非我数错了，否则这个结构可以闭合成一个具有魔幻数字顶点：六十的球体。”
事实上，纸模型形成了一个球体；掉在地上时它甚至还会弹起来。它有20个六边形和12个五边形。60个顶点（或角）中的每一个都代表一个碳原子，并且彼此相同；每个都出现在一个五边形和两个六边形的连接点上。
这个形状似乎如此优雅，以至于斯马利知道几何学家们肯定对此有所了解。他打电话给莱斯大学数学系的系主任威廉·维奇，描述了他所构建的东西。最后，维奇回应道：“我可以从很多方面向你们解释，”他说，“但你们手里的这个，孩子们，是个足球。”
这个结构在技术上称为截角二十面体，它是用六边形和五边形形成的无限球形笼之一。巴克敏斯特·富勒意识到，由于其几何形状，这些结构中的许多都具有与其质量相比异常的刚性。因此，坚固轻便的测地线穹顶应运而生。
在他们划时代的发现之后的一天，莱斯大学的化学家们为C-60分子想出了“足球烯”和“球烯”等名称，但最终决定使用“富勒烯”（buckminsterfullerene）。
如今，它也被称为巴克球。其他偶数测地线穹顶形状的碳团簇统称为“富勒烯”。斯马利和他的同事们在1985年发表的一篇科学论文中宣布了C-60的发现、其结构理论以及其他富勒烯的结构。
许多科学家对这个想法很感兴趣；有些则感到不安。异议来自埃克森公司，他们坚持认为碳团簇最有可能由无趣的、交叉连接的原子链组成。惠顿（当时在康奈尔大学担任研究生，由罗尔德·霍夫曼担任导师）回忆起与霍夫曼谈论斯马利的发现，霍夫曼因其在碳领域的工作而获得了诺贝尔化学奖。“他说10个碳原子重复的出现没有什么不寻常的，”惠顿回忆道。“所以在埃克森，我们停止了。”
在宣布了他们令人兴奋的发现后，莱斯大学的研究人员陷入了困境。他们只有毫克的C-60，不足以证实其存在。
他们如何才能说服怀疑者并证实他们关于C-60结构的理论呢？显然，他们必须生产大量的富勒烯，足够多的材料才能进行彻底分析。斯马利将这项任务分配给了希思。斯马利称之为“寻找黄色小瓶”，因为理论表明C-60分子会是黄色的。这似乎是一项简单的任务，但却变成了一场噩梦——他记得这是一项“徒劳无功的实验”。
莱斯大学的研究人员收集了从团簇束装置喷嘴出来的黑色物质。两年里，希思将这种材料与苯混合，希望溶剂能浓缩出相当数量的C-60。这项努力是徒劳的。
“在花了两年时间观察澄清的苯溶液，却没有任何富勒烯的迹象后，我们的结论是，也许有一天其他人会分离出一点点，”斯马利说。“我们很可能认为，某个第三世界国家的化学家会从牛粪之类的地方分离出几毫克的。”
相反，答案来自图森和德国海德堡，其方式证明了科学突破有时是难以预测的。发现大量制造巴克球方法的人当时正在研究完全不同的东西。
唐纳德·赫夫曼（亚利桑那大学）和沃尔夫冈·克拉特施默（马克斯·普朗克核物理研究所）正在研究碳团簇，但他们的视角和目标与斯马利完全不同。
赫夫曼和克拉特施默当时正在研究各种小粒子如何吸收光：生物颗粒、烟灰颗粒，任何非常小的颗粒。他们研究碳已经很多年了，因为天文学家认为恒星间漂浮的微小碳颗粒以有趣的方式吸收星光，这有助于他们了解宇宙。
在尝试了多种方法后，赫夫曼和克拉特施默开发了一种巧妙而简单的设备来制造大量的小碳颗粒。他们的机器由两个连接到高电流电路的石墨棒组成，周围环绕着氦气。一把钢锯片充当弹簧将两根棒推在一起。它们接触的地方，碳会汽化，形成大量的碳团簇——也就是你所说的烟灰。
与烟灰打交道是一件脏活，但这次得到了回报。回报来自于对碳团簇如何吸收可见光进行测量的系统性工作。
“我们是第一个直接测量非常小的碳颗粒的光学吸收光谱的人，”赫夫曼说。“当我们这样做的时候，我们看到了这个特征。”
该特征是一个峰值，表明在2200埃波长处的光被碳吸收——几乎，但又不完全，就像天文学家在星际尘埃中看到的峰值一样。
赫夫曼和克拉特施默不理解这一发现。“所以我们回到实验室，开始制造更多的碳团簇，”赫夫曼说。“那时我们开始在这个峰值中看到新的、奇怪的东西。事实上，我们看到了三个小波动。”克拉特施默立刻将其命名为“骆驼样品”（kamel sample，源自德语的骆驼一词）。
那是在1983年3月，克拉特施默和赫夫曼开始争论它可能是什么：“也许是一种新形式的碳。这太荒谬了。也许是一种碳原子的团簇。也许它只是垃圾。我们大多认为它是一种垃圾，”赫夫曼说。
当赫夫曼读到1985年克罗托-斯马利关于一种新的60碳分子的论文时，他顿时醒悟。这种奇怪的新物质可以解释他和克拉特施默一直看到的奇怪现象。很快，他们研究碳的重点发生了彻底的改变。赫夫曼和克拉特施默并没有完全确信他们制造了富勒烯，但他们开始将他们的工作朝着这个方向发展。为了稳妥起见，1987年，赫夫曼通过他的大学提交了一份专利披露备忘录，其中“提出了一种制造宏观量C-60的方法”。
当专利律师在1988年2月回电话时，赫夫曼发现他无法再制造带有“骆驼”特征的样品了。为了提高C-60的产量，他的研究生劳埃德·兰姆开始调整实验，改变条件组合，主要是氦气压力。结果是大量的C-60——数毫克，比任何其他人都多。
他们还无法拍照来证明他们得到了碳-60，但他们可以根据其预测的性质进行工作。有机化学家对斯马利的提议产生了足够的兴趣，以至于他们计算出富勒烯将如何吸收红外光。他们推测，大部分红外光会直接穿过碳分子，除了四个会被吸收的波长。在图上绘制，吸收光谱是一条大部分平滑的曲线，只有四个强峰。当赫夫曼和克拉特施默将红外能量照射到他们的样品上时，他们看到了预测的四个峰。成功了！
嗯，几乎。用于润滑他们实验装置的真空泵油，本身就有两个峰——几乎与预测的巴克球的峰值完全一致。克拉特施默进行了一项实验，排除了其中两个峰值来自油的可能性。他用碳-13制造了巴克球，碳-13比主要的同位素碳-12稍重。预测重原子会以可预测的量移动红外峰；它不会移动任何可归因于污染的峰。预测的位移出现了。巴克球诞生了。
为了一个会议，赫夫曼和克拉特施默写了一篇题为“实验室生产的星际尘埃模拟物中碳-60的可能性”的小论文。它发表在1989年9月一本相对晦涩的期刊上。到1990年初，克拉特施默和赫夫曼已经获得了相对纯净的样品，不仅是C-60，还有另一种富勒烯C-70。现在，他们终于可以向科学界揭示他们一直在做什么了。
他们以盛大的方式在1990年9月的《自然》杂志上发表了。赫夫曼和克拉特施默 painstaking地描述了他们制造富勒烯的方法，并展示了实际晶体的照片。
有什么大事正在发生的传言早已泄露。真正的惊喜是巴克球如此容易制造。但它们仍然没有被大量生产，使得科学家们无法确定它们的结构。这项任务落在了当时正在研究巴克球的众多调查者中的其他人身上。
“我们一直认为它的形状是最有可能的，而且它如此吸引人，以至于每个人都把它说得好像已经被证明了一样，”当时已经在加州大学洛杉矶分校拥有自己实验室的惠顿说。
当惠顿和他的同事弗朗索瓦·德德里希读到《自然》杂志的文章时，他们调整了方向，开始研究赫夫曼-克拉特施默的方法。
加州圣何塞IBM阿尔马登研究中心的唐·贝休恩也发生了类似的事情。受到克罗托-斯马利论文的启发，他开始研究碳团簇，使用另一位IBM科学家海因里希·亨兹克尔开发的一种机器来研究磁盘驱动器头部的污染。该机器使用激光脉冲将有机分子从清洁表面上移走，并放入称为光谱仪的分析仪器中，以研究它们的质量。
但贝休恩遇到了和斯马利一样的麻烦：他无法获得足够多的碳-60团簇来做有用的实验。所以他开始寻找其他方法。
一天晚上，贝休恩和一位同事正在谈论他在加州劳伦斯利弗莫尔实验室使用斯马利装置的一个人的问题。也许，贝休恩建议，如果你在激光前面放一个小物体并尝试脉冲光束，那可能会奏效。对方的回答是：“这真的做不到。你还不如点燃一根火柴，把一些烟灰放在金属板上。这和你在这里要求的没什么两样。”
IBM的科学家们挂断了电话，交换了认可的目光，然后四处寻找可以燃烧的东西。他们尝试的第一种是甲醇，酒精，它燃烧时烟雾很少。然后他们尝试了一张纸。也没有烟雾。然后贝休恩发现了一个空花生罐的聚乙烯盖子。这给了他想要的烟雾。质谱仪显示了在60个碳原子区域的期望峰值。
贝休恩和他的同事们清理了实验，燃烧纯碳，看到了主要的碳-60团簇峰。差不多就在这个时候，他们看到了赫夫曼-克拉特施默的论文，就知道他们得到了什么。
然后，他们对碳-60样品进行了一系列密集的研究：核磁共振、拉曼光谱、红外光谱。他们将样品冷却到液氮温度，以减缓巴克球的速度，因为巴克球在室温下会疯狂旋转，并制作了扫描隧道显微镜图像，显示了C-60和C-70分子的整体形状，但没有显示它们的原子排列。IBM小组很快发表了一篇论文，证实了赫夫曼-克拉特施默的发现。
世界上第一个巴克球生产设施于1991年初在图森的材料与电化学研究公司（Materials and Electrochemical Research Corp.）投入使用，该公司获得了生产研究数量产品的专利。这个过程并不复杂。操作的核心是一个普通水桶大小的金属腔室。流经腔室内部石墨电极的电流由Sears Craftsman弧焊机提供。石墨汽化后（看起来像柴油废气），烟灰溶解在甲苯中，然后将溶液离心分离，得到相对纯净的富勒烯。听起来很简单，但提取过程很棘手，赫夫曼说。
“目前的问题是，他们无法满足需求，”他补充道。“他们一天能生产一克多，但耗时很长。”但就在楼下，还有可以扩大十倍规模的设备，更大的计划也在酝酿之中。“如果需求真的很大，”赫夫曼补充说，“C-60最终可以每克几分钱生产。我真的认为，在未来十年或二十年里，会有大型工厂生产这种材料。”
C-60的足球形状几何结构的绝对、完整的证实是在1991年4月，加州大学伯克利分校的化学家乔尔·霍金斯及其同事发表了该分子晶体结构的首批X射线照片。
与此同时，研究人员发现了巴克球更多奇特且可能非常有价值的性质。4月份，新泽西州贝尔实验室的科学家们将钾植入巴克球中，发现它们在零下427华氏度（约零下255摄氏度）的温度下成为超导体。这是任何有机化合物的最高超导温度，它开启了一个全新的巴克球研究领域。
在加州，惠顿以每小时15,000英里的速度将巴克球分子射向不锈钢墙。它们毫发无损地弹了回来。“它比已知任何粒子都更有弹性，”惠顿说——可能足够有弹性，可以作为火箭燃料使用，火箭燃料必须能够承受巨大的压力。
康奈尔大学高压材料科学领域的阿瑟·鲁夫进行了理论计算，表明巴克球在中等压力下比钻石硬得多，尽管在常压下它们是“软的”。他认为这一特性可以扩展高压研究的范围。目前使用所谓的“金刚石压砧”来产生四百万个大气压的压力。鲁夫正考虑将待测材料放入巴克球内部，以达到更高的压力。
原始粒子？
IBM的贝休恩说，这仅仅是开始。“这种分子看起来像是某个天才工程师坐下来设计的……有可能制造分子圣诞树。我们可以用各种官能团来装饰它们。它是一个分子瑞士军刀。”
这种灵活性可能赋予了C-60分子在构成我们所知物质的形成过程中扮演了原始角色。斯马利推测，如果巴克球真的是在100亿到200亿年前红巨星的炽热高温中形成的，那么它们不仅可能是宇宙中最常见的分子之一，而且是最古老的分子之一。由于它们足够大，可以在碰撞中收集较小的粒子，因此它们可能作为最初固体物体聚集起来的原始核心：星际尘埃颗粒，然后是岩石、小行星、彗星，以及行星本身。
“目前的问题是，他们无法满足需求，”他补充道。“他们一天能生产一克多，但耗时很长。”但就在楼下，还有可以扩大十倍规模的设备，更大的计划也在酝酿之中。“如果需求真的很大，”赫夫曼补充说，“C-60最终可以每克几分钱生产。我真的认为，在未来十年或二十年里，会有大型工厂生产这种材料。”
C-60的足球形状几何结构的绝对、完整的证实是在1991年4月，加州大学伯克利分校的化学家乔尔·霍金斯及其同事发表了该分子晶体结构的首批X射线照片。
与此同时，研究人员发现了巴克球更多奇特且可能非常有价值的性质。4月份，新泽西州贝尔实验室的科学家们将钾植入巴克球中，发现它们在零下427华氏度（约零下255摄氏度）的温度下成为超导体。这是任何有机化合物的最高超导温度，它开启了一个全新的巴克球研究领域。
在加州，惠顿以每小时15,000英里的速度将巴克球分子射向不锈钢墙。它们毫发无损地弹了回来。“它比已知任何粒子都更有弹性，”惠顿说——可能足够有弹性，可以作为火箭燃料使用，火箭燃料必须能够承受巨大的压力。
康奈尔大学高压材料科学领域的阿瑟·鲁夫进行了理论计算，表明巴克球在中等压力下比钻石硬得多，尽管在常压下它们是“软的”。他认为这一特性可以扩展高压研究的范围。目前使用所谓的“金刚石压砧”来产生四百万个大气压的压力。鲁夫正考虑将待测材料放入巴克球内部，以达到更高的压力。
原始粒子？
IBM的贝休恩说，这仅仅是开始。“这种分子看起来像是某个天才工程师坐下来设计的……有可能制造分子圣诞树。我们可以用各种官能团来装饰它们。它是一个分子瑞士军刀。”
这种灵活性可能赋予了C-60分子在构成我们所知物质的形成过程中扮演了原始角色。斯马利推测，如果巴克球真的是在100亿到200亿年前红巨星的炽热高温中形成的，那么它们不仅可能是宇宙中最常见的分子之一，而且是最古老的分子之一。由于它们足够大，可以在碰撞中收集较小的粒子，因此它们可能作为最初固体物体聚集起来的原始核心：星际尘埃颗粒，然后是岩石、小行星、彗星，以及行星本身。
（编辑注：本文早期版本错误地将Hroto爵士的去世年龄写为79岁。他实际年龄为76岁。《Popular Science》对此错误表示歉意。）
