洋葱状富勒烯

在 C60 及其他中空球形分子发现之后不久，斯莫利就预测一种称为“俄罗斯套偶”（这是一种俄罗斯传统玩具，由一系列娃娃形的小木盒套在一起构成，大套小，最后都套在一个大娃娃里面）的超富勒烯（hyperfullerene） 结构，能够与通常的富勒烯分子一道在激光汽化石墨的过程中形成.这种超富勒烯的中心是 C60 分子，其外围由具有 240～540 和 960 个原子的富勒烯原子层封闭叠套起来，并且这种过程可无限继续下去，直到产生一个宏观粒子. 斯莫利的这一设想于 1992 年由瑞士洛桑联邦综合工科大学的电子显微学家丹尼尔·乌加特（Daniel Ugarte）等人所实现.他们在研究管状碳分子结构的过程中意外地发现了一种洋葱状富勒烯，并称之为巴基葱（Bucky-Onion）

（图 3-6）.他们采用高强度的电子束对碳棒进行长时间的照射，并仔细调节高分辨率电子显微镜电子束的强度，观察电子束照射对碳粒子的影响.他们发现电子束引起碳原子移动，管状分子结构发生分裂并重新组合成同心球面结构，最后形成一层套一层的洋葱状的巴基球，其中有的巴基葱可包含多达 70

层球面，分子直径达 47 纳米.中心的巴基球常常十分接近于 C60，巴基葱正是以 C60 为核心生成的同心多层球面套叠结构的分子，在层与层之间存在范德瓦尔斯力，层间距约为 3.34 埃，与石墨的层间距十分接近.

乌加特等人的发现导致了全碳分子家族中一种重要结构形式的出现并初步解开了来自星际尘埃的神秘辐射之谜.理论研究可以证明，包含较大碳原子数目的巴基球转化为巴基葱时在能量上更有利.因此这种多层球面结构的洋葱状分子可能代表了巨大数目的碳原子形成的富勒烯分子中的最稳定形态， 同时也对石墨代表着碳的最稳定形态这种观念提出了挑战.

C60 的高度稳定性来源于它的完美对称性，C60 是所有由五边形和六边形网络形成的中空球状结构中五边形互不相连的最小的分子，其 60 个碳原子全部等价，这样使得弯曲的应力均匀分布在所有原子之上，因此以 C60 为核心的多层球面套叠结构的洋葱状富勒烯代表了碳的稳定形态之一.科学家早就预见到，星际尘埃的主要成分为碳原子束，但这些尘埃的光谱与已知的碳化合物，甚至早期发现的巴基球都不相符合.而测量巴基葱的光谱，发现它们和星际尘埃光谱相符甚好，因此长期困扰人们的星际辐射之谜初步有了答案， 看来巴基葱才是星际尘埃的主要成分.科学家还希望通过控制巴基套球层间的距离以及在层与层之间插入其他原子的方法获得具有新性能的材料.

随着巴基管和巴基葱的发现，全碳分子家族在不断扩大，以单个分子形式存在的碳的第三种形态显示丰富多彩的结构特征，为物理化学研究开辟了一个崭新的领域.中空球状分子，巴基管和巴基葱一般被统称为富勒烯，然而人们发现，富勒烯独特的分子结构却并非碳原子所独有，其他原子（或部分包含碳原子）也能形成这种球形或管状结构，从而为富勒烯家族增添了新的“外籍”成员.