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就你最特別:富勒烯,發現!|科學史上的今天:11/14

我們都知道黑黝黝的石墨與晶瑩剔透的鑽石其實都是由碳元素所構成,差別只在於結構不同。石墨中的碳原子是像蜂巢狀那樣六角形排列的平面結構,鑽石內部的碳原子是結構緊密的正四面體。長久以來,科學家相信單一碳元素形成的結構就這兩種,然而,1985年11月14日,科學期刊《自然》上的一篇論文卻推翻了這看法。

富勒烯分子結構模型。圖片來源:UCL Mathematical and Physical Sciences@wikimedia

這篇論文的作者是英國化學家克羅托(Harold W. Kroto, 1939- )、美國化學家斯莫利(Richard E. Smalley, 1943-2005)、柯爾(Robert F. Curl, 1933- )及另外二人。克羅托是以訪問學者的身份來到斯莫利的實驗室,原本是要研究碳鏈分子的形成機制。1985年9月4日,他們用雷射射向氦氣中的石墨,再用質譜儀檢測汽化蒸發的碳分子,結果原子量為720的信號異常強烈,他們才赫然發現自己製造出一種前所未見的碳原子結構──由60個碳原子組成的C60

C60的形狀就跟現代足球一樣,是由12個正五邊形20個正六邊形構成的32面體,碳原子就位於60個頂點。因為這形狀類似美國建築師富勒(Buckminster Fuller)於1967年在蒙特婁世界博覽會,首創的球形穹頂建築,因此他們把C60命名為 ”Buckminster fullerene”,簡稱「富勒烯」。

他們的論文發表後雖然已起各界注目,但普遍認為這只是實驗室中在特殊條件下才有的產物,意義不大。然而1992年,就在俄羅斯的地底礦石中發現富勒烯;2010年,史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)又在六千五百光年外的星塵中發現C60的特殊信號,證實了自然界也存在富勒烯。

克羅托、斯莫利、柯爾三人於1996年共同獲頒諾貝爾化學獎。其實早在1980年,日本的飯島澄男用電子顯微鏡分析碳膜時,就觀察到富勒烯的洋蔥狀結構,1991年他又發現了奈米碳管,可惜與諾貝爾獎無緣。後來科學家也又陸續發現由更多的碳原子組成的球狀、橢圓體、管狀等各種不同立體結構的富勒烯,而其中球狀的富勒烯也簡稱為「巴克球」。

富勒烯具有獨特的化學和物理性質,例如奈米碳管的強度比鋼高一百倍,密度卻只有後者的1/6,可作為太空電梯的纜繩。隨著奈米科技日漸成熟,可以預見各種富勒烯將在材料、光電、及醫學等不同領域,展現以往難以想像的發明與應用。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。