英國薩塞克斯大學化學系保留著一批珍貴的樣品：第一批富勒烯。這是諾獎得主哈羅德?克羅托的遺物，見證了他經(jīng)歷被潛在合作者拒絕、申請經(jīng)費卡殼、研究差點被搶發(fā)，最后終于站上領(lǐng)獎臺的艱辛歷程。克羅托曾希望這些樣品能用于科學展覽，但直到克羅托團隊最后一位成員從薩塞克斯大學退休，這些物品仍然沒有找到屬于它的玻璃展柜。

今年三月，英國薩塞克斯大學（University of Sussex）的設(shè)備主管阿里·阿比杜爾-薩達（Ali Abdul-Sada）正式退休了。臨走前，他將一個裝滿樣品管的灰撲撲的燒杯交給更年輕的同事，理查德·雷菲爾德（Richard Layfield）。雷菲爾德說：“我感覺就像被派去保護皇家珠寶。”

燒杯中的樣品管里，是最早的一批富勒烯 C60、C70，有的是如同炭黑的固體，有的溶解在有機溶劑里，呈現(xiàn)出深淺不一的酒紅色。正是這些樣品讓哈羅德?克羅托（Harold Kroto）等人獲得了 1996 年諾貝爾化學獎。

克羅托于 2016 年去世前提出，希望將這些樣品和他當年用過的設(shè)備一起妥善保管，用于科普展覽之類的活動。但是直到今天，這些物品仍然無處容身，而是由薩塞克斯大學化學系的后輩們保管。還有一些樣品甚至仍放在克羅托家的廁所里。

來自星辰的啟示

富勒烯的誕生還得從天文學研究說起。科學家們很早就知道，碳是構(gòu)成地球生命的基本元素。而在 20 世紀 70 年代，克羅托等人通過射電天文學觀測發(fā)現(xiàn)，星際空間中存在大量的長鏈碳分子，點燃了人們尋找地外生命的希望。克羅托認為，這些不同尋常的長鏈條分子是在富含碳元素的紅巨星大氣中形成的。

為了檢驗這個理論，最好能模擬恒星環(huán)境進行實驗。一次與老友的重逢為他帶來了機遇。那是在 1984 年的一次會議上，克羅托見到了羅伯特·科爾（Robert Curl）。科爾當時在美國萊斯大學（Rice University）從事激光光譜學研究，他對克羅托談起了自己和同事理查德·斯莫利（Richard Smalley）開發(fā)的團簇束流發(fā)生器（又叫 AP2）。

AP2 能夠發(fā)射強烈的激光脈沖，產(chǎn)生的溫度可高達數(shù)萬攝氏度，超過了大多數(shù)恒星表面的溫度。用這樣的激光脈沖轟擊想要研究的材料，材料受熱蒸發(fā)后，在降溫過程中逐漸形成原子團。用高壓惰性氣體把這些原子團送進真空室，進行進一步的冷凝，然后再次使用激光脈沖將這些原子團離子化。得到的產(chǎn)物中可能會出現(xiàn)一些此前未知的分子，可以借助質(zhì)譜儀等工具進行分析。

克羅托對這臺儀器很感興趣，會議結(jié)束后就跟著科爾去了萊斯大學。親眼見到 AP2 之后，他馬上意識到它可以用來檢驗他關(guān)于碳分子形成的理論，提議三人合作開展研究。

但是，科爾和斯莫利當時正忙于研究半導體材料，對克羅托的提議不感興趣。更加讓克羅托著急的是，他聽說埃克森公司科學實驗室（Exxon Corporate Research Science Laboratory）的研究團隊已經(jīng)進行了這樣的實驗，并且使用的是斯莫利實驗室制造的相似儀器。

該團隊發(fā)現(xiàn)，由超過 40 個碳原子構(gòu)成的原子團中，碳原子的總數(shù)總是偶數(shù)。斯莫利寫道：“我們希望避免和埃克森團隊發(fā)生不必要的研究內(nèi)容重合和競爭，并且他們在這個領(lǐng)域穩(wěn)步前進，這也是萊斯大學不研究碳原子團的一個理由。”

大膽的猜想

盡管如此，一年后斯莫利動搖了，同意讓克羅托使用他的儀器。他打電話詢問克羅托，是要讓萊斯大學團隊進行實驗然后把數(shù)據(jù)發(fā)過去，還是克羅托自己過來。克羅托一聽，馬上收拾行李飛往美國。

在克羅托到來前，斯莫利已經(jīng)讓研究生給儀器裝上石墨，試運行了一輪。到 1985 年 9 月 1 日，在克羅托抵達休斯頓 4 天后，實驗正式開始。三位研究生詹姆斯·希思（James Heath）， 肖恩·奧布萊恩（Sean O’Brien）和劉原（音，Yuan Liu）按照克羅托的設(shè)計，操作儀器完成了實驗。

在十多天的工作中，他們發(fā)現(xiàn)了兩個重要成果：一個是意料之中的長鏈碳分子，斯莫利稱之為“克羅托的碳蛇”，另一個則是某種此前未知的碳分子。質(zhì)譜儀分析表明，這些碳分子大多含有 60 個碳原子，還有一些含有 70 個碳原子。

克羅托對這些意料之外的分子產(chǎn)生了強烈的興趣。進一步研究發(fā)現(xiàn)，C60 十分穩(wěn)定，表明這個分子可能具備高度對稱的結(jié)構(gòu)，并且不具備游離的碳原子支鏈或不飽和價鍵。經(jīng)過一番艱苦的思考，研究團隊提出了“足球烯”模型：

整個分子由五邊形和六邊形相互拼接，構(gòu)成了一個籠狀結(jié)構(gòu)（如下圖）。這一構(gòu)想的靈感來自建筑大師巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）的作品——1967 年蒙特利爾世界博覽會的美國館，它有著巨大的網(wǎng)格狀穹頂。研究團隊將這類碳分子命名為富勒烯（buckminsterfullerene，后改為 fullerene）。

富勒與他的另一件作品，張拉整體球（tensegrity sphere）。圖片來源：Flickr / Public Domain Mark 1.0

“哈利，你相信嗎？”

1985 年 11 月 14 日，這項發(fā)現(xiàn)登上了《自然》（Nature），標題就叫《C60：富勒烯》（C60： Buckminsterfullerene）。質(zhì)疑的聲音馬上隨之而來：依靠當時的實驗證據(jù)，怎么能宣稱 C60 具備這樣的結(jié)構(gòu)呢？克羅托在 2012 年回憶，現(xiàn)在仍有學者認為，“我們當時沒有權(quán)利在《自然》論文中提出那些觀點”。

克羅托決心證明關(guān)于 C60 結(jié)構(gòu)的猜想。他向英國工程與自然科學研究委員會（EPSRC）申請經(jīng)費，準備建造和萊斯大學一樣的團簇束流發(fā)生器，以及配備更高精度的質(zhì)譜儀，因為樣品的量太小，一般的質(zhì)譜儀無法分析。但是，用于購買質(zhì)譜儀的 12000 英鎊遲遲得不到批準。正在頭疼的時候，克羅托收到了一份會議報告。

那時候已經(jīng)是 1990 年。在意大利舉辦的一次學術(shù)會議上，德國馬克斯·普朗克原子物理研究所（Max Planck institute for nuclear physics）的沃爾夫?qū)たɡ媛╓olfgang Kr?tschmer）團隊報告，在氦氣中蒸發(fā)碳棒，然后讓碳蒸氣冷凝，能得到大量的 C60。克羅托的朋友、天體物理學家邁克爾·朱拉（Michael Jura）觀看了這場匯報，立即復印一份報告寄給克羅托，還在文件開頭寫上：“哈利（哈羅德·克羅托的昵稱），你相信嗎？”

克羅托回憶，他當時確實感到難以置信。如果德國科學家是對的，那么他已經(jīng)浪費了太多的時間，因為他手頭的器材已經(jīng)能大量制備 C60，一般的質(zhì)譜儀就能分析，而不必費勁申請經(jīng)費購買高精度的質(zhì)譜儀。他趕緊安排博士生喬納森·黑爾（Jonathan Hare）重復實驗。

酒紅色的溶液

經(jīng)過幾個月的工作，他們收集了一管炭黑一般的樣品。黑爾分出一半，帶著它去找阿比杜爾-薩達進行質(zhì)譜分析。

在薩塞克斯大學化學系，阿比杜爾-薩達以精湛的實驗技巧和勤奮聞名，常常在技術(shù)員下班后還在工作。他還記得分析那份樣品的那個夜晚。他加入 3-硝基苯甲醇，得到了一份酒紅色的溶液。

炭黑是不溶的，但結(jié)構(gòu)有序的 C60 可以溶解。接下來的質(zhì)譜分析顯示，分子量 719 處出現(xiàn)了一個高峰，而不是應(yīng)有的 720。阿比杜爾-薩達表示他一點都不擔心：“這臺機器的校準一天到晚都在變。它已經(jīng)很舊了。我接受這點。”

1990 年 8 月 9 日，克羅托和黑爾試著對溶液進行質(zhì)譜分析，但是里面雜質(zhì)太多，需要提純。然而就在第二天中午，克羅托收到了《自然》發(fā)來的傳真，請他評審一篇關(guān)于 C60 的論文。論文的標題是《富勒烯：碳的一種新形式》（Fullerite， a New Form of Carbon）。

“我的心往下一沉，然后我繼續(xù)讀摘要，心情更糟糕了。我讀到傳真文件上‘酒紅色的溶液’幾個字，而我面前的書桌上就擺著那個試管，酒紅色的溶液仿佛在盯著我的臉，”克羅托回憶。

這篇論文來自先前提出了大量制備 C60 方法的卡拉舒曼團隊，里面附上了漂亮的 C60 晶體圖片、X 射線衍射圖片等。克羅托放下論文，去吃頓午飯冷靜冷靜。午飯后，他回來打電話給《自然》編輯，表示他不能評審這篇論文，并希望放棄匿名性，讓編輯向卡拉舒曼團隊傳達他的祝賀。

一瞬間，克羅托感到他被經(jīng)費申請系統(tǒng)打敗了。但他也認為，如果他們團隊獲勝，是對卡拉舒曼團隊的不公平；而如果卡拉舒曼團隊獲勝，他們卻因為沒有良好的實驗條件落敗，也同樣不公平。而經(jīng)過仔細閱讀論文，克羅托又看到了希望：卡拉舒曼團隊沒有做核磁共振！

核磁共振是鑒定有機物分子結(jié)構(gòu)的最重要手段。接下來，克羅托團隊快速完成了 C60 和 C70 的分離工作，并通過核磁共振確定了 C60 的結(jié)構(gòu)。此時克羅托正好要參加學術(shù)會議，他帶著論文手稿，特意去海德堡會見卡拉舒曼，希望論文能公平地呈現(xiàn)雙方的工作。接下來，他在會議上介紹了這些成果，論文還未發(fā)表就引起了轟動。

后面的故事就像教科書里寫的那樣：因為發(fā)現(xiàn)富勒烯，克羅托、科爾、斯莫利三人共同獲得了 1996 年的諾貝爾化學獎。

克羅托的遺愿

如今將近四十年過去了，樣品管上手寫的標簽已經(jīng)發(fā)黃，老掉牙的質(zhì)譜儀里還保存著最初的實驗數(shù)據(jù)。當年制備了這些樣品的黑爾早已離開學術(shù)圈，如今他是英國著名的科普節(jié)目主持人。而阿比杜爾-薩達的退休意味著克羅托的諾獎團隊的最后一名成員也離開了薩塞克斯大學。

還有一些樣品留在克羅托家的廁所里。他的遺孀瑪格麗特（Margaret）回憶，克羅托在去世前幾天明確交代了對這些物品的安排，她寫了下來。“他希望有一個專門的房間或空間，讓黑爾舉辦工作坊之類的科普活動；

這些樣品就放在帶鎖的玻璃柜里公開展示，讓感興趣的人來參觀，”她說。他們還準備了一份詳細的展示方案，提交給薩塞克斯大學。但直到目前，校方仍然沒有給出一個明確安排，主要的問題是沒有空間。

雷菲爾德“繼承”了這些物品，計劃繼續(xù)在校園開放日之類的活動上進行展示。他打算先找一個更好的容器，至少，別讓這些樣品管隨便地放在燒杯里了。

參考來源：1. https://www.chemistryworld.com/news/thirty-years-on-new-home-sought-for-krotos-nobel-winning-samples/4013522.article

2. https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/fullerenes.html

3. http://homepage.fudan.edu.cn/anqizhang/files/2013/09/1211035.pdf4. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1996/kroto/biographical/

編輯：jq