固体碳的一种新形态——富勒烯① 顾镇南 张泽莹

（北京大学化学系 100871）（北京大学分校化学系 100083） 一 富勒烯的发现

人类对碳元素的研究和应用亘古至今，源远流长。人们熟知碳有两种同素异形体——石墨和金刚石。直到 80 年代中期，发现了富勒烯

（Fullerene）碳原子簇，尤其是近年来，对富勒烯的结构、性质深入广泛地研究，确认碳元素还存在着第三种晶体形态，已是顺理成章了。

① 刊于 1992 年第 7 卷第 2 期第 1 页

碳原子簇的研究始于天体物理学家对宇宙尘埃形成的兴趣，为了模拟星际空间及恒星附近碳原子簇的形成过程，早在 1942 年 O Hahn 等用质谱法证实了原子簇 Cn（n＜15）的存在。1984 年 Rohlfing 等用质谱仪研究在超声氦气流中以激光蒸发石墨所得产物时，发现碳可以形成 n＜ 200 的 Cn 原子簇。当 n＞40 时，簇中碳原子数仅为偶数，并且还发现 C60 的质谱峰明显高于其他原子簇的峰，表明 C60 具有更高的稳定性，但对C60 的结构未作说明。

1985 年 Kroto 等用同样仪器，严格控制实验条件，从而获得以 C60 为主的质谱图。由于受建筑学家 Buckminster Fuller 用五边形和六边形构成球形薄壳建筑结构的启发， Kroto 等提出 C60 是由 60 个碳原子构成球形 32 面体，即由 12 个五边形和 20 个六边形组成，相当于截顶 20 面体。其中五边形彼此不相连接，只与六边形相邻。每个碳原子以 sp² 杂化轨道和相邻三个碳原子相连，剩余的 p 轨道在 C60 分子的外围和内腔形成π键。并预言此分子具有芳香性。随之命名为 Buckminsterfullerene， 由于 C60 分子结构酷似足球，故又称为 Footballene，即足球烯。

除了 C60 外，具有封闭笼状结构的还可能有：C28、C32、C50、C76、C84、C90、C94⋯⋯C240、C540 等等，它们形成封闭笼状结构系列，如图 1[9]所示，统称为 Fullerenes，中译名为富勒烯。