§3 C 60 及富勒烯家族的诞生

虽然人们普遍认为 C60 是克罗托等人在研究星际空间中长链碳分子形成机制的实验中作为副产品而偶然发现的，这一意外的收获也同时说明 C60 的诞生是科学技术发展到一定阶段和人们的认识水平达到一定程度的结果.随着技术的发展特别是实验条件的改善，人们在研究物质宏观和微观性质的同时，对原子集团这一新的物质形态产生了浓厚兴趣.原子团簇（cluster）是指由一定数目粒子（从双原子分子直到数百万个原子）组成的体系，是介于原子与大块材料之间物质的一种新形态.在原子集团中，绝大多数原子都处于表面，因此表现出与大块材料不同的结构和性质.对原子集团的研究有助于了解介于宏观尺度和微观粒子之间物质的性质，特别是近年来介观物理的出现及纳米材料的认识和利用，更引起了人们对原子集团研究的兴趣，并推动了表面物理、化学催化、微电子结构及晶体生长等领域的发展.原子集团的研究无论在理论和实用上都具有重要意义，它对许多新兴学科的发展都起着巨大的推动作用，至今已形成物理学中一个十分活跃的分支——原子团簇物理

（Cluster Physics），其中一个重大成就就是导致了 C60 及全碳分子家族的发现.

原子团簇的研究始于 20 世纪 50 年代，当时采用的是超声喷注加冷凝产

生微团的方法，稍后出现了用惰性气体离子束轰击并溅射二次离子产生团簇的方法.到 60 年代末，由于激光技术的普及和应用，对原子集团的研究得到进一步发展.人们对各种金属原子、惰性气体及一些合金团簇等都获得了丰富的实验结果，理论研究也取得很大进展.原子团簇一般很不稳定，只能用飞行时间质谱仪观察到.实验结果发现，原子集团中的原子数目不是随意的，只有包含一定数目原子的团簇保持稳定，并在质谱上产生特征峰，这一定数目的原子称为“幻数（magicnumber）”.例如对于一价碱金属，当团簇中的原子数目为 2，8，18，20，34，⋯时较为稳定，并在质谱上产生显著的峰.对其他元素的原子团簇人们也发现了一定的幻数规则，并提出一些理论模型予以解释.对一些简单金属（如碱金属）和贵金属，原子团簇的稳定性就可以采用简单的电子壳层模型予以解释.但更多的问题仍然有待研究.如各种原子团簇何以保持自身稳定，多大的原子集团开始具有大块材料的性质等，都是十分重要但仍然没有研究清楚的问题.

与其他原子团簇研究的蓬勃发展相比较，碳原子团簇的研究直到 80 年代才取得令人注意的进展.最初的研究始于天体物理学家对宇宙尘埃形成的兴趣.长期以来人们对来自星际空间的某种神秘辐射一直感到困惑不解，后来人们认识到这些星际尘埃主要是由碳元素组成的，并开始在实验室模拟星际空间以及恒星附近链状碳原子簇的形成过程，采用各种方法试图产生碳原子簇.C60 的发现者克罗托和斯莫利以及首先发现较大量制备 C60 方法的霍夫曼

（D. R. Huffman）和克拉茨奇默（Wolfgang Krätschmer）等人长期以来就一直从事原子团簇和星际尘埃的研究.早在 70 年代，克罗托就对分子辐射天文学产生了浓厚兴趣，长链碳分子及其振动-转动动力学一直吸引着他.后来他推断出这些长碳链或碳球是了解红巨星外层空间所发生化学反应的关键， 并且可能是天文学家观测到的红外吸收带的根源.1985 年克罗托利用斯莫利教授设计的实验装置——激光超声团簇束流发生器开展了一项星际空间中长

链碳分子形成机制的合作研究，从而导致了 C60 这一具有划时代意义的发现. 其实在此之前就已经有人探测到 C60 等球状分子的存在，但由于没有敏锐地意识到而失之交臂. 这些不太幸运的科学家就是霍夫曼以及罗尔芬

（E.A.Rohlfing）等人.