(美國伊利諾大學物理系彭昭禹整理)
Harold Kroto爵士與Rice大學的Robert F. Curl, Jr. 和 Richard E. Smalley共同為1996年化學的諾貝爾獎得主。自從1985碳60的發現之後,化學及整個科學世界都進入了一個新的領域。它具對稱性,使科學家再度思考大自然的簡易和美。它能夠成為超導材料的條件及聚合成為的奈米碳纖維管更是許多科學家研究的題材。碳60不再只是化學,而也是生物界和固態物理共同研究的東西。
儘管碳60帶給全世界的震撼是如此之大,但當初的發現卻也是始料未及的。當初Kroto 研究的內容為宇宙星際間的化學物質,而他對含碳豐富的巨星感到特別有興趣。經過幾年的研究,他從其光譜推想出這些巨星周圍的氣體都會含有 cyanopolynes,一種碳和氮的直鏈狀聚合物。為了證明他的理論和實驗結果是符合的,1985年夏天,Kroto便和Rice大學的 Smalley及Curl聯絡,進行一項合作實驗。Smalley在實驗室裡自己製造了一個雷射,能將幾乎每一種物質蒸發成電漿狀,進一步了解其物質的結構。Kroto便想利用這個機會模擬出宇宙中可能有的環境和條件,來觀察出這些cyanopolynes在宇宙可能被產生的過程。
實驗的結果如預期地顯示,cyanopolynes的確在那實驗結果出來的樣本之中。這是令人欣慰的,因為自從Kroto研究這些巨星以來,全部的證據都指向cyanopolyne的存在。明明已經知道實驗的結果,卻還去做,Kroto在演講時提起這種精神,並解釋這才是一個身為研究人員應當俱有的精神。不過,在樣本中,更令人驚訝的是其他成份的存在,特別是碳60和碳70,其比率遠遠大於cyanopolyne的比率。這是整個實驗小組完全沒有預期的。實驗結果一出來,小組的幾位研究生趕緊將這事實紀錄在筆記本上,以便日後再做仔細的觀察和解釋。Kroto演講到此一小節時特別稱讚了幾位研究生正確的實驗態度,同時也告訴當場在座的聽眾,包括學生和老師們,有關未來做研究應有的態度。
找到新的化學物質之後,最要緊的,莫過於找出其化學的結構。在發現碳60的化學性質極穩定的情形下,他們提出碳60為封閉的網狀結構,並再進一步提出其結構為足球形狀,由12個正五角形和20個正六角形所組成的。他們決定將這種新的碳60取名為Buckminster Fullerene,以紀念美國的名建築師及工程師Richard Buckminster Fuller,因為Fuller早在40年代便已建築了多個和碳60幾何形狀相同的大圓頂。
同時間研究碳60的小組還有W. Kratschmer和D.R. Huffman兩位物理學家。他們也成功地發現宇宙中的碳灰也含有和碳60相同的紅外線光譜,且利用電弧放電的方式得以大量製造出碳60。他們也進一步發現這些碳灰可溶於苯中。Kroto的小組曾一度因Kratschmer和Huffman所發表的論文而大感沮喪,原來早有人已做出這些成果了!
為了再度扳回劣勢,Kroto的研究小組決定利用核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)來真正判斷出碳60的結構。根據之前的理論,如果碳60果真如他們所想像的,是那麼具對稱性的,那核磁共振產生出的譜線應當只有一條。實驗結果出來,他們是正確的。進一步,蛋形結構的碳70出來也如理論預期一般,有五條不同的譜線。這個實驗結果也成為歷史性的一刻。有關碳60的謎開始慢慢解開了,而且對fullerene一族的研究和新的認知就此展開。這正是邁向一個新的,未探索的科學世界的里程碑!
有關碳60目前最熱門的應用,Kroto教授則提起碳聚合成的奈米管(nanotube)。這些奈米管,質量是鋼鐵的六分之一,但強度可比它強50到100 倍。這代表了工程使用上的極大潛力,從飛機、防震建築,到防彈衣都可用到。而且,它的高導電度也使它在未來的電腦的零件中也有應用潛力。除此之外,Kroto教授還想到生化方面的應用,這些奈米結構,說不定可以做出一個ATP馬達,利用生物身體中最基本的化學物質之一來做為產生能量的有力工具。
Kroto 教授除了提到自己本身的學術工作之外,剩餘的時間還提起了政府和一般大眾對科學的一些錯誤觀念和想法,並說明他認為應有的態度。一般人對於學科學的人總是會有不佳的印象,類似愛因斯坦老年時邋遢的模樣。這是不正確的,因為每位科學家的重要發現,都是在年輕氣盛時所做出來的。世人之所以會對科學有錯誤的印象,一切都是媒體所惹的禍。做研究的人另外得面對的,便是政府人員的無知。通常政府並不願意將錢投入長期的研究上,因為政府只希望得到短時間的利益,只對它認為「有用」的領域投下大筆的鈔票。這令Kroto教授十分懊惱,因為在根本沒有嘗試之前,又焉知什麼是「有用」的呢?
最後,Kroto教授提到做為學科學的人對社會所要付出的。學科學的人,無非要教育一般的大眾,使人民了解科學是什麼,而不是那麼地懵懂無知。Kroto在英國創辦一家影片公司(Vega Science Trust Films),拍攝一系列的科學教育影片,讓大眾對真正的科學有足夠的了解。他並且表示,做科學教育最需要的兩個條件,就是極大的熱忱和吸引人的幽默和風趣。
C60巴克球形碳分子是在一系列以雷射蒸發石墨的實驗中意外發現的。這個實驗的設計原先是用來模擬紅巨星(富有碳的成分)的化學反應。幾乎在C60被發現剛滿五年後,這種碳分子已經可以分離出可觀的產量。這個技術性的突破觸發了爆炸性的研究,競相探討C60的化學和物理性質。其實C60分子早已顯示許多新奇的性質,可望有令人興奮的應用:它可以經受大範圍的新奇的合成反應;它很容易接受或給予電子,表示可作為電池;它可形成具有高溫超導特性的化合物,其複合物顯示有鐵磁性。C60也似乎可作成碳纖維。
這種碳分子具有美麗和細緻的對稱性以及其他的特性,令人有鮮活的細膩感覺。它的結構是截角的正二十面體,可歸屬到偉大的阿基米得所作的幾何形狀之一。這個結構正是建築師巴克敏斯特‧富勒(Buckminster Fuller)所發明的圓拱屋頂的基本圖樣-這是至今為止所設計出的具有最強、最輕、和最大跨距的建築物。屬於這個形狀的圖像最早出現在佛朗西士加(Piero della Francesca)和達文西(Leonardo da Vinci)的畫作裡。再者,這結構的外形和現代的足球一樣-有12個五邊形和20個六邊形。最後但不是最小的一點是,這種球形碳分子是在煤煙中形成,所以每一個人都已製造過這種分子-包括我們的原始祖先。
雖然從遠古以來,人類已熟知石墨和鑽石,但是直到現在,二十世紀臨結束時,我們才發現碳的第三種同素異構體。這種碳卻是一直都存在我們的面前,說起來實在有些難於接受。我們應該反省一下:這個在化學和材料科學中令人著迷的、新的圓球世界,起初是由於想要理解碳在太空和恆星中所擔任的角色而被發現,而不是源自於想要在材料應用中,探索碳的可能用途。這個發現是彰顯基本科學研究價值的一個漂亮例子。它也適時地警示應用研究策略本身有其侷限性。 |