石墨、金剛石和巴基球
自從化學科學不斷發展以來,化學教科書都說碳的同素異形體有兩種——石墨和金剛石。碳有沒有第三種同素異形體呢?理論化學家在沉思,實驗大師在尋找。多少年過去了,還是杳無音信。轉機來自本世紀70年代日本科學家小澤光生的預言:碳的第三種異形體應該是自然界中普遍存在的物質。從此一切尋找碳的第三種同素異形體的持久戰在世界範圍內激烈展開。十年光陰過去了,它終於露出了端倪,一躍成為科學家的寵兒,它的結構、性質和用途被研究的較有眉目了。
碳的第三種異形體,化學家簡稱為巴基球。因為它形狀象是球,是由12個五邊形和20個六邊形組成的球形籠,具有32個麵、60個頂點,每個頂點上有一個碳原子,就是說,巴基球是由60個碳原子組成的簇分子,原子間鍵合成是球籠。這種分子中每個頂點碳都以兩個單鍵和一個雙鍵相鍵合,球的內外界都被雙鍵中π電子雲所覆蓋,具有芳香性。由於它結構高度對稱,使得這些原子價層軌道高度簡並,形成了十分穩定的分子。
自八十年代以來,圍繞C60分子,許多科學家轉入了對其性能、用途的深入研究。近年來,進展喜人,捷報頻傳。經研究,碳家族的多核立體分子較多,Cn(n已達540)的原子簇分子陸續被發現。C60隻不過是這個家族中的成員之一。
C60結構穩定,性質活潑奇特參與反應整體框架完好無損,用途非常的廣泛。它的分子內有較多的π鍵,是加成反應的活性源。在一定條件與較多的試劑發生加成反應。C60H18、C60H36、C60F6、C60F60、等許多物質都是它的加成物。其中高氟化物是高溫潤滑劑,耐熱和防水的理想材料。C60的另一種反應是在球的六邊形上多處形成橋鍵。C60的第三種反應簡稱為移植反應,因為巴基球外剛內空,化學大師們從六邊形的通道,通過反應將其它原子或原子團“填”到巴基球的“籠”中,產生具有特殊導電性和催化功能的新物質,開辟了十分喜人的全新的化學領域。巴基球的第四種反應,發生在固態C60與金屬(主要是堿金屬)之間,C60接受一定量的金屬轉移來的電子,形成電荷轉移鹽,其通式為Ｍ13C60。反應後金屬離子填入C60晶體空穴,並不撐開C60間的相互接觸,由金屬電子和C60分子中π電子相互作用形成三維導體。由此開辟了有機物高溫超導的新天地,巴基球電荷轉移鹽的超導溫度有的高達42.5K,可望繼續升高。
有人根據巴基球的特殊穩定性和它的移植反應,設想在球內裝入放射性元素。放在癌症病灶區,進行放射性治療,達到治愈目的。巴基球具有非線性光學性質。當光透過巴基球時,其折射方向依光的強度而變化。有人猜想,將來C60可以作為新一代光學電腦開頭材料。巴基球自身有較強的抗壓性和良好的複原性及其高溫穩定性,又加上分子沒有棱角,是優良的潤滑劑,巴基球的潤滑性能比常用的石墨好的多。
總之,隨著人們對巴基球研究的深入,它的奇特性能和潛在應用價值,將會陸續揭示出來,化學工作者也得更新一些觀念。在理論方麵,它是繼碳的四麵體結構和凱庫勒苯環結構之後的又一座豐碑。