能和惰性气体“结亲”的“布基球”

自从1985 年美国化学家斯莫利等人发现“布基球”,即碳-60分子后,在世界上吸引了许多科学家。天文学家也对碳-60 发生了浓厚的兴趣,认为这种碳分子在星际空间有可能寻找到。有趣的是,天文学家的预测尚未实现,地质学家倒找到了天然的碳-60分子的足迹。

1992年,美国坦普尔亚利桑那州立大学的彼得。布塞克和他领导的科研小组在俄罗斯卡雷利的一种类似煤的岩石中发现了天然的碳-60分子。1993年,他们又在几年前于科罗拉多的希普山收集的一种闪电熔岩标本中发现了碳-60和碳-70分子。分析后认为。闪电熔岩中的含碳量本来很低,其中的碳-60和碳-70肯定是来自松树的针叶,即松针叶在山腰发生快速放电的闪电过程中被烧成碳。因为闪电时的温度可达到约2000摄氏度,足以使岩石熔化成一种坚硬的黑色玻璃质团块,包住碳化的松针叶,这一发现证明,自然界的确存在天然的碳-60分子。

令人意外的是,当科学家在制造人工碳-60分子时,又发现了“布基球”具有稀奇的独特性能。比如美国耶鲁大学的马丁·桑德斯和詹姆斯·克罗斯及纽约罗切斯特大学的罗伯特·波雷达在制造碳-60分子时,为了防止碳的氧化,就用惰性气体氦作保护气氛。结果发现,在制出的碳-60分子中,每100万个碳-60分子中约有一个碳-60分子内含有一个氦原子,并形成稳定的化合物,这很令人惊异。

通常认为,氦是一种和任何元素都不起化学反应的惰性气体。氦和碳-60的化合物打破了这一传统概念,因而引起了许多科学家的极大兴趣。后来科学家分析,氦原子是所有气体中最小的原子,在理论上可以轻易地在布基球球状笼形分子中进进出出。但克罗斯认为,如果想再让氦原子从布基球内“钻”出来,就必须加热到 700摄氏度以上,使笼形结构上的一个碳-碳链破坏从而开出一个“窗口”,这时氦原子才能从“笼子”内逃逸出来。加热的目的是为了让氦原子得到足够的能量,也是为了破坏一个碳-碳链从而开出一个“窗口”。

为了证实克罗斯的分析,他的科研小组又分别把纯碳–60试样放进纯氦及纯氖中,加热到700摄氏度以上。结果产生了氦碳-60 和氖碳-60这两种惰性气体的化合物。于是,他们又把这两种化合物加热到700摄氏度以上,以便让氦和氖从碳-60笼子内逃逸出来。结果发现,在约800 万个布基球笼形结构中只剩下一个含氖原子的碳-60分子,证明绝大多数氖原子已从“笼子”内逃了出来。

惰性气体氦和氖能和碳-60形成化合物,这是化学反应中的罕见现象。因为到目前为止,惰性气体还没有其它形式的化合物。许多科学家于是又进行了更广泛的试验。比如,1993年保罗·卡希尔和克雷格·亨德森用碳-60吸收氢,制成了第一个布基球碳氢化合物。后来又用有机硼化氢作触媒制出了二氢碳-60化合物,并分析了这二个氢原子在整个分子中的位置。科学家们并没有到此为止,他们继续进行研究,发现碳 -60分子真是一种奥秘无穷的东西,不断有新的特异功能出现。

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