碳原子家族
1984年，美国的罗弗林在实验室里用激光轰击石墨时，在石墨的蒸气中发现了一些很奇怪的碳原子簇。这些碳原子堆积在一起，却又并不像石墨那样呈层状排列结构，也不像金刚石那样呈四面体结构。罗弗林的英国导师克罗托教授对这个发现十分重视。后来，他在美国的赖斯大学实验室中改变了部分实验条件，再次获得了这些碳原子簇，并且发现大多数的碳原子簇不多不少正好是由60个碳原子组成的。
60个碳原子组成了这么一个大大的“碳分子”，那么它的结构该是怎么样的呢？它又为什么这么稳定地存在着呢？这一系列的问题苦苦的捆饶着克罗托教授，使得他食不知味，睡不入眠，终日冥思苦想。
一个偶然的机会，他被一只亮闪闪的球形模型吸引住了——一个由著名建筑学家布克曼斯特·富勒设计出来的模型，形状十分像一只拼皮足球，然而它是中空结构，由一大堆骨架构成了20个正六边形和12个正五边形，呈一定弧度一个接一个地排列，最终成为一个球体。克罗托教授呆呆地望着这只笼子似的模型，就如同看到了那60个碳原子乖乖地一一跳到那些五边形的顶点上，12个正五边形正好有60个顶点！一个大胆的设想在他的脑子里形成了。
克罗托教授为了感谢建筑学家富勒给他的灵感，把自己假设的这种新的碳分子结构称为“富勒笼球”，也有人将其称之为“足球分子”，而现在大家还习惯地把它写作C60。
然而，克罗托教授的假设只是引起了科学界的注意，由于没有足够多的C60，就没有办法进一步通过实验来证明这个假设。5年过后，一位名叫克雷希德梅尔国科学家，在从氮气氛中石墨放电时产生的松烟中，首次获得了较多的碳原子簇，为人们全面深入研究C60提供了保证。
科学家们大量的研究和论证表明克罗托教授的“富勒笼球”假设是正确的！同时也表明了，碳元素除了四面体结构的金刚石和层状的石墨之外，还存在着第三种球状形态。这种形态并不一定非60个碳原子不可，C20、C24、C28、C32、C36、C50、C60、C70、C84……都是存在的，只不过当中最稳定的是C60，能长期存在。随后是C70，再次是C50。其他的碳簇稳定性较差。当然，它们的形态也略有区别，不同的碳簇含有不同个数的正六边形和正五边形。例如，拿C70来说，它是由25个正六边形和12个正五边形构成的中空椭球笼。几何学家证实：C60的碳球结构是所有碳球中可以避免两个五边形（五元环）相连的最小分子；C70是比C60在轴向上更长一些的橄榄球；C50是可以避免3个五元环相连的最小分子；C28是可以避免4个五元环相连的最小分子；C20则是可能存在的最小的中空笼状碳分子。
在克罗托以前，人们知道碳有两种“同素异构体”（即组成元素相同而分子结构不同的物质）——金刚石和石墨。尽管在大多数人心目中，一个代表高贵，一个代表普通平常，其实它们都是由纯粹的碳元素组成的，可谓是一对“双胞胎”。所不同的是，金刚石由许许多多正四面体分子结构组成，每个四面体由4个正三角形围成，这四面体4个顶点的位置，又分别与周围4个正四面体的中心相重合。这样整齐致密的排列，使得金刚石本身棱角分明，切面光滑平整，光照时光芒四射，而且有非常高的硬度，除了用来制作高贵的装饰品外，还可以用来制造刀具和钻头等。再看石墨，它由许多正六边形排成的平面层状分子结构组成，层与层之间的连接很弱，没有棱角，没有折光，硬度很小，但润滑性很好，可以导电。它们二者虽然如此不像，但毕竟有着相同的“血缘”，所以，在高温高压下煅烧石墨，部分地改变它的结构，就成了以假乱真的“人造金刚钻”。
十余年前才发现的富勒笼球是碳原子自身结合的第三种形态。原来，由碳元素自身组成的物质至少是“三胞胎”。加上其他碳簇分子，碳单质成了一个庞大的“多胞胎”家族。
通过先进的仪器，科学家们已像取指纹似地把C60和C70的光谱性质测定出来。通过扫描电镜还给它们拍了“身份证”照片。从照片上来看，C60是一个直径为7．1×10－8厘米的圆球，最邻近的两个球的球心距离大约为1．02×10－9厘米。球是中空的，表面的碳原子构成紧密结合在一起的六边形和五边形。而且这些碳原子十分活泼，可以和各种无机基团或有机基团结合生成许多衍生物。
尽管富勒笼球对于人们来说，还是个“婴儿”，我们尚不能清楚地知道它究竟是怎么回事，会有多大应用。但是就手头已有的资料分析，它日后定能成“大器”。
前面说过，从C60的“身份证”照片上得知，两个球之间的球心距是1．02×10－9厘米，而每个球的直径是7．1×10－8厘米，也就是说球面间隙为3．1×10－8厘米左右。根据间隙算出它们的结合能，发现这个数值与目前的半导体材料的能隙十分接近。因此C60很可能会在电子材料、通信工程、计算机元件材料上大显身手。
C60分子又是一个中空的笼子般的球状体，这个空腔大得可以容纳下任何金属离子，我们称这种容纳了金属离子的化合物为包合物。已有人把很小的钾离子和很大的镧离子分别“放”入C60分子的笼球中。不过，包合物的性质与C60和金属离子都有关系，具体能有何种应用尚不清楚。据报道，1992年，北京大学已成功地将锡离子放入球中，并且发现这种锡包合物具有超导性能，超导临界温度为－236℃。这是一项十分有意义的研究成果。
再看C60的表面，由于这里的碳原子十分活泼，很容易发生各种各样的化学反应，获得的产物也有各种各样的性质。有人认为，干脆拿碳球表面作为某些化学反应的场地，或许能获得一些过去从未制得的化合物。
还有人发现，C60可以被氢化成C60H18，而这种氢化物又可以返回到C60的状态，进一步又形成带负电的C60离子。利用这种性质，可制造充电电池。这种干净、大容量的充电电池正是无污染汽车的理想动力。
天文物理学家们在研究星际物质的光谱图时，曾对许多陌生的光谱图感到困惑。对照C60的“指纹”后发现，其中有些正是C60及其碳簇“兄弟”！说明在浩渺的宇宙里同样存在着C60，这的确令天文物理学家们振奋，人类对那个宏观大世界的认识又进了一步。
1825年，德国有机化学家凯库勒曾大胆假设由6个碳原子构成的苯是一种六边形的环状物。这个假设被证实后，开始了苯以及芳香族化合物的研究，含苯环的化合物成为有机化学中一类极重要的研究对象。而克罗托教授的“富勒笼球”假设，简直就像是历史的重演。C60的发现，不仅为碳家族增添了一名新成员，更重要的是它将繁衍出一个新的家族。可以预见，这个家族将创造出许多新的奇迹，产生许多新的材料。让我们拭目以待吧！C60及一系列碳簇分子的发现，是化学发展史上一件具有划时代意义的大事。为了表彰这一重大科学成就，1996年的诺贝尔化学奖授给了克罗托和另两位对C60的发现作出贡献的科学家，他们是美国赖斯大学的化学教授柯尔和斯莫利。
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