试论C[,60]分子发现的思维方式和研究方法，本文主要内容关键词为：思维方式论文,试论论文,分子论文,发现论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
内容提要 C[,60]分子的发现是现代化学发展史上的重大成果；C[,60]分子当前正以其奇异独特的性质、令人注目的应用前景和富有理论色彩的内在潜力，越来越吸引着人们的广泛注意和深入研究。本文从思维方式和研究方法的视角，从三个侧面（化学认识误区的新突破，先进实验技术的新综合，化学直觉经验的新创造），对C[,60]这样一个重大化学发现及其确证过程，作一认识论和方法论的探讨，以便从中取得有益于拓宽科学发现和化学研究思路的启迪。
1985年9月以美国德克萨斯州休斯敦赖斯(rice)大学的化学家理查德·斯莫利(Richard E.Smalley)为首的一个研究小组，在用大功率激光轰击石墨靶作碳的汽化试验时，发现了一些由偶数碳原子组成的碳分子；最早发现的是由60个碳原子组成的C[,60]。
1985年11月14日，该研究小组的重要成员之一，来自英国索塞克斯(Sussex)大学的克鲁托(H.W.Kroto)在“自然”（《Nature》）杂志撰文向全世界宣布了这一重大化学事实的发现：除了石墨和金刚石之外，碳元素还有第三种晶体存在形式－－即由60个碳原子组成的空心笼状结构的分子C[,60]。后来，人们进一步发现，以C[,60]为代表的碳分子有着一个庞大的“家族”，包括C[,32]、C[,44]、C[,50]、C[,58]、C[,60]、C[,70]、C[,240]、C[,540]、C[,960]……等。
最早发现的C[,60]分子的结构，类似美国建筑设计师巴克明斯特·富勒(Buckminster Fuller)设计的一种球形园顶建筑结构（由五角形和六角形拼接而成)。同时，作为C[,60]分子模型的参照物犹如人们十分熟悉的由黑色五边形与白色六边形拼花的足球。有鉴于此，斯莫利等化学家把这种碳分子命名为“富勒氏球”(Fullerenes)或“布基球”(Buckyball)。
1985年以来，“富勒氏球”以它奇异独特的性质、令人注目的应用前景和富有理论色彩的吸引力而活跃在化学竟技的绿茵场上。一个研究C[,60]及其家族的热潮正在全球范围内兴起。1991年，C[,60]分子当选为美国《时代》周刊本年度的“明星分子”。
对于C[,60]这样一个重大化学发现，作一认识论和方法论方面的探讨，看来颇有现实意义，我们可以从中获取不少有益的启迪。
（一）化学认识误区的新突破
历史上，化学家们对新元素及其化合物的发现始终怀有极大兴趣。今天，他们对探索109号以后的超重元素更是寄予很大的期望。相比之下，对一些普遍存在的、早已熟悉的元素及其化合物，则通常表现出一种熟视无睹的思维定势。按照惯例和经验，这些领域似乎已不可能再取得什么新的突破。实际上，我们认为，这是一种化学认识误区；而在如何看待碳元素上，人们一度就陷入了这种误区。
从1797年英国化学家台耐特(S.Tennat)确证金刚石和石墨是碳的同素异形体以来，已时过近200年。在此期间，化学家们对碳元素及其化合物的性质与结构进行了多方面的研究，取得了不少突破性的进展。其中1865年德国化学家凯库勒(F.A.Kekule)构想出苯的环状结构、1920年德国有机化学家施陶丁格(H.Standinger)提出高分子具有重复单元的线形结构理论（即大分子学说）、1962年佩特森(Pederson)发现冠醚，开拓了大环化学的新领域等，可作为这种进展的标志或代表。正是在取得如此巨大进展的背景下，一些化学家开始陷入了对碳元素认识的盲目性：其一是在连接碳原子之间的多重键的性质方面，一直认为只具有单重～三重键彼此相间的链状结构。这种传统观点使他们看不到C[,60]分子有稳定存在的可能性。后来事实表明，对于质量较小的碳原子簇，这种链状结构是合理的，而对那些质量较大的碳原子簇（如C[,60]、C[,70]等这些既稳定存在而又无H或N等杂原子与之相连的原子簇）仍认为是某种链状结构则是不合理的。其二是认为普遍稳定存在于自然界中的有规碳同素异形体只有石墨与金刚石（常见的另一类碳素为无定形碳，鉴于无定形碳中碳原子的排布没有规则，故不属于有规形态碳素）。这种思维定势使得他们面对继金刚石和石墨之后的第三形态碳素的发现，相见不相识而失之交臂。
早在克鲁托等宣布发现C[,60]以前，天文物理学家们就发现富碳恒星的大气层及彗星尾中有碳原子簇存在的迹象；人们在实验室中也曾观察到过小质量的碳原子簇，但它们并不能象金刚石和石墨那样稳定存在。当时一般认为，这类碳原子簇具有多炔链状结构(…C≡C-C≡C-C…)，当它们两端分别连接上H和N后，则可以形成稳定分子。然而长期以来，人们一直未能制备出稳定存在的碳原子簇。这使得有些科学家对是否存在这种稳定分子表示出怀疑。就在克鲁托等发现C[,60]的前二年（1983年），两位物理学家唐纳德·霍夫曼(Donald Hoffman)和克拉兹摩尔(W.Kratschmer)也在研究天文学方面问题时（为什么在星际漂浮的小碳原子簇能以很有趣的方式吸收星光？），涉及到了C[,60]那样的大碳原子簇。但他们认为：“若说它是碳的一种新的存在形式，似乎有悖常理，未免可笑。所以它只不过是原子簇而已或是一些无规则的堆砌。”从而失去了一次发现C[,60]的极好机会。
1984年，也就是克鲁托等发现C[,60]的前一年，化学家若尔芬(E.A.Rohlfing)等人曾使用跟斯莫利几乎同样的的仪器装置做了类似的实验，第一次测得了大碳原子簇的飞行时间质谱峰（TOF-MS谱），证明只有偶数碳原子簇是稳定的。但由于C[,60]的含量不占明显优势，故若尔芬等没有意识到C[,60]有什么特别的稳定性。他们的实验成果就此止步。事实上，他们离开发现C[,60]只差一步之遥。
以上这些科学家，重演了二百多年前英国化学家普利斯特列(J.Priestley)曾充任过的“当真理碰到鼻尖上的时候，还是没有得到真理”的角色，令人十分惋惜。而导致他们在理论上没有取得突破和在实践上面对机遇而失之交臂的原因，是在于他们从片面的、先入为主的前提出发，循着合乎传统的、常规的途径行进，而走入了化学认识的误区。与此相反，克鲁托等在实验基础上摆脱了以往人们对碳素性质与结构的习惯性思维，对C[,60]提出了大胆的结构设想，认为这是一种具有独特多面体的新型碳原子簇，它是继金刚石和石墨之后的第三形态碳素（即第三种碳的同素异形体）。
（二）先进实验技术的新综合
化学在历史上是一门以实验为基础的学科，无论是化学事实的发现，化学理论的发现还是化工技术的发明，都离不开化学实验技术的创造与更新。如今尽管现代化学正在日益非经验化，理论开始走在实验前面，但实验技术对于化学研究来说仍然是至关重要的。跟以往不同的是，现代化学家通常需要综合运用先进实验技术才能给化学带来革命性的成果。C[,60]之所以长时期未被人们发现和确认，除了认识论方面的原因外，缺少先进实验技术及其综合运用是个关键。
发现C[,60]分子的稳定性，主要借助于一种新的实验技术：激光－超声波原子束射线测试仪（又称激光汽化／氦气脉冲膨胀法）。1981年，美国赖斯大学的斯莫利研究小组发明的这种超声喷口、激光汽化技术，目的是为了探索原子簇的性质。该技术一问世，不少化学家就把它用于实验研究并取得了一系列成果。其中比较突出的就是若尔芬等在1984年用该法从固态石墨产生碳原子簇，并用紫外激光光致电离结合飞行时间质谱，探测了原子簇的存在。实际上，就技术而言，他们已逼近了C[,60]的发现。1985年，克鲁托等用类似的方法并对这种技术装置略加改进后，观察到远较其它碳原子簇稳定的C[,60]及C[,70]原子簇。其中C[,60]的质谱丰度高达占全部原子簇丰度的50%，C[,70]约占5%。这样，C[,60]的稳定存在首次得到了实验证实，一项重大的发现就此诞生。
但是，我们注意到：C[,60]自1985年发现，直到1991年其间并没有引起人们多大的关心和热情。也就是说C[,60]起初并没有成为人们研究的热点。这又是什么原因呢？主要原因有两个：一是当年克鲁托等只是发现C[,60]的稳定存在，还没有掌握有关C[,60]分子结构的直接证据；二是对C[,60]及C[,70]进行常量制备和分离提纯工作的条件尚未成熟。这表明，人们对C[,60]及其结构的认识还处在假说阶段，有待于进一步的测定、检验与证实。化学家们运用各种实验技术手段在探索C[,60]的道路上尚需不断进取。
1989年，通过红外吸收光谱(IR)提供出第一个对C[,60]结构假设的证明，谱图上出现的四个峰极好地符合有机化学家对分子结构的一种预测。
1990年，通过C[,60]微晶粉末的X射线分析光谱，证明C[,60]样品是一个直径10A的球，与克鲁托等人的预测符合甚好。同年，运用核磁共振谱（[13]C-NMR)，证明在C[,60]中，所有碳原子对称性均相同（只有一个峰），即C[,60]为完美的球形对称(Ih)。但直至1990年秋之前，还没有得到对于C[,60]最有说服力的直观图象；其原因之一是在于当时，碳原子簇的制备均未达到常量水平。
1990年秋，克拉兹摩尔首次公开报道C[,60]及C[,70]的常量制备与分离提纯，从而为碳原子簇的研究开创了新局面。其中常量制备方法尤其引人注目，这是一种大量合成C[,60]的简易方法（电弧法），其所用的制备原料是石墨汽化烟炱，它由在氦气中用石墨电极汽化而得到。在显微镜下，用该方法制备的C[,60]（含少量C[,70]）晶体主要呈棒状、片状及星状。经质谱测定，产物中C[,60]占主导地位，C[,70]与C[,60]的丰度比为0.02/0.1。这与克鲁托等人的激光汽化实验结果相一致。令人兴奋的是，不久，克鲁托领导的英国索塞克斯大学研究小组用色谱法成功地分离了C[,60]及C[,70]，从而为进一步深入研究这类第三形态碳素提供了更优越的条件。从此，世界各国的众多化学家们竟相开展起C[,60]的研究工作。
1991年，基于常量制备C[,60]样品的成功，人们用扫描隧道显微镜(STM)研究了沉积在Au(III)表面的C[,60]/C[,70]混和物，终于得到了C[,60]的STM照片。从照片上可大体看出C[,60]的形状。尽管还看不到原子排列方式，但终于得到有关C[,60]结构的第一张直观证据。克鲁托对此作了高度评价：“也许扫描隧道显微镜提供了一个比任何其它手段都更满意的测试：关于这个分子究竟象什么”。扫描隧道显微镜是1982年问世的电子显微镜家族的新成员，放大倍数达3亿倍，可直接清晰显示单个原子的分布图象。
总之，化学家们为了解决C[,60]分子是什么（组成、性质）和象什么（结构），动用了多种实验手段，并加以综合运用。这种综合有一个显著特点：既采用了当代先进的实验技术，又充分发挥了常用测试手段的作用，而关键在于把整个测试系统有机组合起来而得到最佳效果。人们注意到，每一种分析手段仅为我们提供C[,60]分子结构某个侧面的信息，而要形成一个立体的分子结构形象，则只有将一项项分析证据积累起来才能趋于全面。正如克鲁托所说：“一系列令人信服的实验事实的积累，显示出C[,60]的确拥有独特的物理化学稳定性”。很显然，这种“积累”正是各种测试结果的综合。也正是这种先进实验技术的新综合，最终实现了对C[,60]分子结构的确定与证实。
（三）化学直觉经验的新创造
被证实的这种C[,60]分子的结构，克鲁托等原先又是怎样大胆构想出来的呢？这不禁使人们回想起一个多世纪前（1865年）德国化学家凯库勒构想出苯的环状结构的光辉历程。历史往往有惊人的相似之处，但历史又不会简单的重复。如果说，当年凯库勒构想出苯的结构是一种化学直觉经验的创造；那么，如今克鲁托等构想出C[,60]分子结构则是化学直觉经验的一种新创造！
对C[,60]分子的结构设想，克鲁托等是分两步展开的。第一步是将C[,60]这类原子簇设想为人们熟悉的四面体连接的金刚石结构或芳香性的石墨片层网状结构。但由于它们表面或周边的碳原子价态无法饱和，因而不能稳定存在。而C[,60]分子稳定存在的事实，恰恰表明了它不可能具有金刚石或石墨那样的结构。这时他们想到：既然平面层状结构边缘的碳原子总有未满足的价键（即价态无法饱和），那么，如果平面变为曲面，处于边缘的碳原子相连接而闭合，这就消除了未被满足的价键，即碳原子的价态达到饱和。但接下去的问题是要设想：这种闭合起来的结构是什么形状？克鲁托等人作为具有丰富化学经验和较高科学研究素养的化学家是不乏这方面的想象力的。基于化学经验的直觉告诉他们：如果设想这种闭合结构是一个对称的球形结构那将是十分完美和理想的。作为一个化学家，对于分子中广泛存在的一种美的属性－－对称性，既是十分熟悉，又是刻意寻求的，克鲁托等人也不例外。
值得赞叹的是他们所作的对C[,60]分子结构的第二步构想，即60个碳原子究竟在球面上怎样排列？1985年，克鲁托等在观察到C[,60]稳定存在的基础上，首先在《自然》上撰文指出：C[,60]原子簇实际上是一种封闭而中空的稠环芳香碳素体（一种球芳烃）；这种碳素体具有球形削角二十面体结构（几何上属于截头二十面体，是种空心笼状结构），恰似一只普通的足球。该削角二十面体由20个六边形及12个五边形连接构成（如图），其顶角数目正好为60。如将C[,60]的60个碳原子分别分居于这60个顶角上，则可完全满足所有原子的成键要求。每一个碳原子均采取sp[2]杂化；相邻碳原子以σ单键连接，另外所有碳原子各自贡献一个p电子以构成离域大π键。这种奇妙而大胆的结构设想又是怎么得出的呢？
C[,60]分子结构示意图
起初，C[,60]发现者之一的斯莫利试图用计算机模拟，以构建C[,60]分子的球形结构模型，但结果一无所获。这时，斯莫利研究小组陷入了深深的沉思之中：一个合理的球形对称结构到底应该是什么样子的？在一次沉思后的休息间隙，斯莫利突然想起克鲁托曾和他的小孩一起玩造园形拱顶建筑模型游戏的情景。这给他一个极大的启发：一个合理的C[,60]分子球形结构可否和这种球形建筑模型相联系（后者是美国著名建筑师巴基明斯特富勒设计的一种网格球顶建筑）。以往，巴氏的这种建筑风格曾给斯莫利、克鲁托等人留下深刻的美感印象。而今，这种球形建筑模型又赋予了他们科学研究的灵感，使他们直觉顿悟到：他们苦苦求索的C[,60]分子球形结构就类似于这种球形建筑形象。－－个大胆的结构设想就此脱颖而出！
当年，凯库勒曾因学过建筑，使他从梦幻中得到感悟进而设想出苯的环状结构；如今，克鲁托、斯莫利等人又因受巴氏球形建筑启发而设想出了C[,60]分子的空心笼状结构。这种历史的巧合告诉人们：植根于化学经验的直觉顿悟具有何等的创造力。作为思维活动产物的科学构想，特别是一个新思想、新概念的建立，毕竟不及宏观现象那样经常而又鲜明地呈现在人们面前。因此，一个有关形象的闪现，有时可以引起思维的跳跃，使长久思索而又未能捕捉到的关系和意念，得以通过联想建立起来，引导人们揭示出隐蔽得很深的自然界的规律。
对于C[,60]分子结构的大胆设想，有人曾比喻为“二十世纪九十年代的苯环结构设想。”其意义之深远不言而喻。当年，凯库勒构想出苯环结构树立了苯及芳香族化合物研究的里程碑。如今，克鲁托等人构想的C[,60]分子的多面体结构已为人们所公认，它所展现的前景可能更为辉煌。既然由苯可以衍生出千万种芳香有机化合物，那么由C[,60]为结构单元也有可能衍生出众多相应的化合物；一个以C[,60]为结构单元的碳素多面体学科分支将会出现。同时，由C[,60]的独特空心笼状结构所带来的奇异性质，必将会使这类新型化合物具有意想不到的应用前景。研究者们已经发现C[,60]与碱金属形成的晶体不但具有半导体性质，而且具有超导体性质。可以期望随着对C[,60]等碳素多面体原子簇的深入研究，这类新型化合物的应用潜力会不断得到开拓。与此同时，人们对C[,60]的认识亦会上升到新的水平。因为人们目前对C[,60]的认识远远没有穷尽，还有不少问题有待于进一步的探讨与求索。例如：象C[,60]这样一个高度有序、高度对称的分子是怎样从一个混沌的等离子体中产生出来的。－－要解开这样一个奇妙的自然界中发生的自组织过程之谜，更需要研究者在思维方式和研究方法上更上一层楼、更具创造性。只有这样，人们在继C[,60]发现之后，在对C[,60]性质的研究上才能再度辉煌。