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前些天给中国天文科普网翻译了一篇文章，说是NASA的斯皮策空间望远镜第一次在太空中发现了富勒烯。其实本人对富勒烯是早有耳闻，早先还读过专门讲述这一话题的《完美的对称》一书。不过自从本科2年级以来，由于平时基本用不到，化学是早就被扔到九霄云外去了，对布基球的印象也只剩下了空间结构。此次算是借着新的发现，重新把相关的东西拣一拣，个中有意思的东西还是不少的。

富勒烯（Fullerene）是碳原子组成的空心球体、椭球体以及管状分子的统称，也是碳元素在石墨、金刚石和无定型碳之后的又一种存在形态，其中球状的富勒烯又名布基球。最早被发现、同时也是最经典的一种富勒烯是C₆₀，由60个原子排列成32面体。因为它与足球形式相同，又有了一个足球烯的绰号。

富勒烯的名称来源是建筑家Richard Buckminster Fuller，其作品以密网格穹顶（Geodesic dome）著称，而ene的词尾表示其分子结构中，每个碳原子都与其他3个相结合（意味着其中存在一个双键）。这种穹顶是什么样的？一图胜千言，不妨先看看实例：

图中背景建筑是1967年加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆的外观，密网格穹顶的代表作，前景就是设计师Fuller了。不过这种结构可不是Fuller的原创，早在20世纪20年代，卡尔蔡司的首席工程师就为天文馆设计过类似结构的穹顶，只是Fuller最终将其发扬光大而已。密网格穹顶的骨架都是沿着弧面大圆分布的，因此英文名称中会出现“Geodesic（短程线）”一词。富勒烯的结构同此类穹顶类似，故名。但是与三角形衔接组成的经典密网格穹顶不同的是，如下图所示，富勒烯的基本单元是五边形和六边形。

C₆₀的空间结构示意。（图片提供：Saumitra R Mehrotra & Gerhard Klimeck）

富勒烯最初是日本丰桥技术科学大学的大泽英二的预言。在1970年发表的一篇文章中，大泽注意到碗状分子心环烯（C₂₀H₁₀）的结构相当于足球表面的一部分，进而推测很可能存在完整的足球状分子。C₂₀H₁₀是多环芳香烃的一种，以环戊烷为中心，周围排列有6个苯环。在布基球发现之后，这种分子又得到了“布基碗（buckybowl）”的别名。

C₂₀H₁₀的空间结构示意。（图片来源：Wikipedia）

由于用日语撰写的缘故，大泽的文章没有得到应有的重视。差不多与此同时，英国原子能研究机构的R. W. Henson也设想出了C₆₀的结构。不过与大泽相比，Henson的遭遇更惨，相关工作从来没有得以发表。后来前苏联和美国的研究者也相继提出了C₆₀的设想。

但富勒烯的发现纯粹是实验的结果，发现者甚至对先前的理论一无所知。20世纪七、八十年代，对星际介质的研究方兴未艾，HC₅N、HC₇N等长链分子陆续浮出水面。为了进一步探讨星际环境，1985年，Harold Kroto、Bob Curl、Richard Smalley等人利用激光轰击石墨来模拟年老富碳巨星的大气条件。与长链分子一道出现在轰击产物中的，就是以C₆₀为主的C_n富勒烯家族了。当然与其他产物相比，富勒烯的形成实在是偶然事件。这个无心插柳的发现让三位研究者获得了1996年的诺贝尔化学奖。

这样的发现过程自然让人猜测，在星际介质中存在C₆₀等分子，不过最终确认这一点是在25年之后的今天，发现地点也确实是红巨星演化后的产物——行星状星云中。在此之前，人们陆续在地球上的次石墨等矿物、闪电过后的大气、陨石甚至是蜡烛余烬中都发现了富勒烯的存在。

行星状星云中的C₆₀和C₇₀特征光谱，粉色部分表示C₆₀，蓝色部分表示C₇₀。（图片提供：NASA/JPL-Caltech/University of Western Ontario）

为何星际富勒烯直到现在才正式露面呢？一个原因是，只有处在特定温度的布基球才能发出望远镜可以感知红外谱线，而一般的星际分子只能在短时间内保持这样的温度，这在很大程度上减少了探测的概率。而另一方面，传统理论认为，恒星周边富氢的环境很容易会让碳原子的悬键与氢原子而非另一个碳原子结合，阻止了球状分子的形成（虽然新近发现布基球存在的环境与此说相背）。话虽如此，这类分子早就被人们用来解释一些天文疑难了，比如星际漫射带的成因。

球状富勒烯家族最常见的成员是C₆₀，其次是C₇₀；最小的是C₂₀，最大的n可以大至几百。除了球状，富勒烯还包括管状以及多层球壳状的分子；而在碳原子之外，硅和硼也存在类似布基球的结构。

最后富勒烯的宏观形态又是什么样的？C₆₀可以以固体形态存在，名为富勒石（Fullerite）。富勒石的结构属于四方晶系，呈黑色玻璃状，硬度3.5，曾在俄罗斯的卡累利阿（Karelia）共和国以及塔吉克斯坦的吉萨（Gissar）山脉等地发现过。至于溶液，与金刚石和石墨不同，除了少数几种小型成员之外，大多数富勒烯都可以在常温下溶解于二硫化碳、苯、环己烷等多种溶剂中。

富勒石（左）与C₆₀溶液。（图片来源：Wikipedia）

其实超导性和纳米级结构才是真正让富勒烯大红大紫的因素，但是虽然相关研究很热门，本人对这两项还真提不起太大的兴趣来，反正资料多多，这次干脆也就不重复了。