[物理史] 富勒烯（Fullerene）的發現

富勒烯（Fullerene）的發現
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀

有規則、具對稱性的幾何圖形總是迷人，引人遐思。古希臘人以正四面體、立方體、正八面體、正十二面體、以及正二十面體分別代表組成宇宙萬物的元素火、土、氣、水、和組成天上物質的乙太，統稱為柏拉圖固體。克卜勒也曾突發靈感，提出由五個柏拉圖固體的內外切線組成的宇宙模型，認為這幾個內外切球半徑的比例就是當時已知六個行星軌道的比例，而稱頌它是上帝在天上的偉大傑作。

所以當科學家在 1985 年 9 月宣布發現超級穩定、狀如「截角的正二十面體」的碳六十分子時，引起了很大的轟動。那 11 天的發現過程充滿了驚奇和意外，令人津津樂道。

故事源自英國薩賽克斯大學的科羅托（Sir Harold Walter Kroto），他主要研究微波頻譜學，用以分析太空星球大氣層及星際氣雲的成分。當時他對碳含量高的巨星深感興趣，在分析其大氣譜線時，他發現可將其歸因於氰基多炔烴，這是一種由碳和氮組成的長鏈分子，同樣的分子也出現於星際氣雲中。科羅托認為這些碳化合物源自星球大氣，而非星際氣雲，所以希望對這類長鏈分子的形成機制做進一步的研究。

圖1 雷射-超音速團簇束儀。脈衝雷射聚焦在石墨盤上，將碳原子打出，混入經小孔噴進的超音速、高密度氦氣流束，形成碳團簇進入收集杯，再讓其向外膨脹。（科羅托提供修改而成）

1984 年復活節，科羅托到美國萊斯大學訪問柯爾（Robert F. Curl, Jr.），柯爾建議科羅托參觀他同事暨研究夥伴史莫利（Richard E. Smalley）所研發出的一套雷射-超音速團簇束儀器（圖1），可以將物質蒸發為原子氣體，進而形成數十個原子聚合在一起的團簇。科羅托認為這套儀器或可用以模擬星球大氣中的化學環境，以提供長鏈碳化合物會在星球大氣高溫區域形成的證據。他向柯爾解釋此想法，柯爾提議大家一起合作研究。

經過了約一年半的準備，科羅托於 1985 年 9 月 1 日抵達休斯頓，立即與柯爾、史莫利、以及學生希斯、歐布萊恩、劉元等人（圖2）全力投入實驗工作，結果在短短 10 天之內就發現，採用固態的石墨為標靶時（圖1），果然可以產生各種偶數碳原子合成的分子。意外的是，由 60 個原子組成的 $$\mathrm{C_{60}}$$ 最多，而且在一些特定情況下，幾乎全是 $$\mathrm{C_{60}}$$，並極為穩定，活性極低。研究團隊經過反覆推敲討論，終於在 9 月 10 日達成結論，推測其結構應為「截角的正二十面體」，如類球體的中空籠子，具有 60 個頂點和 32 面，其中 12 面為正五邊形，20 面為正六邊形（圖3）。他們決定取其名為富勒烯，以向 1967 年設計蒙特婁世界博覽會短程線拱頂的美國館建築師富勒（R. Buckminster Fuller）致敬。

研究團隊於 9 月 11 日完成論文的撰寫，並於次日投稿到《自然》期刊。《自然》於 11 月 14 日刊出，不到 2 頁，標題為〈$$\mathrm{C_{60}}$$ : Buckminsterfullerene〉（巴克明斯特．富勒烯），所以也被簡稱「巴克球」（Buckyballs）。

由於「截角的正二十面體」的結構極為對稱、巧妙，所以實驗結果傳開之後，引起了大家高度的興趣。1990 年，物理學家霍夫曼（Donald R. Huffman）和克列斯默（Wolfgang Krätschmer）宣佈，將二支石墨棒置於氦氣中，加電壓產生電弧，以氣化石墨將再凝結後的碳氣溶解於有機溶液中，即可得到 $$\mathrm{C_{60}}$$ 的結晶，確認了 $$\mathrm{C_{60}}$$ 的推測。1996 年，科羅托、史莫利和柯爾三人同獲諾貝爾化學獎。

科羅托家族是波裔猶太人，原名科羅托斯納（Krotoschiner），後來移居德國，父母在納粹時期逃至英國。科羅托於 1939 年出生在劍橋郡，1964 年於雪菲爾大學（University of Sheffield）獲得博士學位，3 年後，獲聘蘇塞克斯大學。除了科學外，科羅托還醉心於繪圖藝術，有職業的水準。1995 年，他在皇家學會的贊助下，成立了貝加科學信託（Vega Science Trust），錄製科學記錄片，以推廣科學。2005 年，他離開薩賽克斯，在佛羅里達州立大學擔任講座教授迄今。

史莫利於 1943 年出生在美國俄亥俄州艾克隆市，1973 年在普林斯頓大學獲得博士學位，1976 年開始在萊斯大學的教研生涯。史莫利的研究主要以分子束及飛行時間質譜儀探討非有機及半導體團簇的形成機制。發現富勒烯後，他開始研究以鐵催化碳奈米管的合成方法，並於 2000 年催生美國國家奈米科技起動計劃。2005 年，他因慢性淋巴球性白血病過世。

柯爾於 1933 年出生在美國德州阿利斯城，畢業於萊斯大學，後至加州柏克萊大學深造，1957 年完成博士學位，於 1967 年到萊斯大學任教職。獲得諾貝爾獎後，他繼續教研工作，他說：「獲獎後，或可以成為科學教父，或就科學方向提出新看法，利用名氣獲取所需資源；但或也可以說：『嗯，我要繼續原來喜歡的工作』」。

富勒烯的研究在霍夫曼與克列斯默找出可以大量製造的合成方法後，研究成果突飛猛進，例如發現與富勒烯結構類似的碳奈米管，具有熱與電的良導性與驚人的抗張強度等。做為繼鑽石與石墨之後的第三種碳物質，富勒烯的研究已成為化學的一個領域，它的應用價值有賴科學家進一步的探討與努力。

從發現富勒烯的故事顯示，當不同專長的科學家一起合作時，可能併出的火花會有多麼令人意外與難以置信；而成功的跨國合作也成為科學研究的新趨勢。

圖2 《自然》期刊，1985年論文「〈C60: Buckminsterfullerene〉」作者群合影，由左自右為：歐布萊恩、史莫利、柯爾、科羅托與希斯。（科羅托提供）

圖3 「截角正二十面體」模型

原文刊載於物理雙月刊2014年10月號36卷第5期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。