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第67章 发现足球烯的故事

1985年英国萨塞克斯大学的波谱学家H。W。Kroto与美国莱斯大学两名教授R。E。Smalley和R。F。Curl合作研究,发现碳元素可以形成由60个或70个碳原子构成的有笼状结构的C60和C70分子,这一发现引起科学界特别是物理学和化学界的强烈反响,成为20世纪后半叶的重大科学发现之一。

Kroto是英国萨塞克斯大学的波谱学家,而Smalley和Curl都是美国莱斯大学的教授。20世纪80年代中期,Kroto在Smalley的两名研究生的帮助下,开始了关于富碳蒸气中碳链形成的可能性的研究。他们在惰性气体环境下,用高功率的激光照射石墨表面,照射释放出来的由碳原子构成的碎片等离子体被氦气流携带通过末端为一喷嘴的杯形集结区,进入一真空室。在杯形集结区内,碎片离子经气相的热碰撞反应成为新的碳原子簇。这些新生成的碳原子簇随氦气进入真空室,并在那里由于气体的膨胀而被迅速冷却下来。随后,所有产物进入一个与上述实验装置相连接的飞行时间质谱仪。在质谱仪上,所形成的含有不同碳原子个数的原子簇及其丰度可以被检测出来。接着,令人意想不到的事情发生了。研究小组在质谱仪上观察到质量较大的碳原子簇所含的碳原子个数均是偶数,其中分子质量数落在720处的质谱峰信号最强,它恰好对应一个由60个碳原子组成的分子,另外一个相当于C70分子的质谱峰清晰地出现在分子质量数840处。通过改变实验条件,他们用Smalley的装置产生的C60是其他任何碳原子簇的40倍。这些实验结果使研究小组确信C60可以非常稳定地存在。

在发现C60和C70之后,确定它们的分子结构就成了当务之急。在热烈的讨论中,Kroto联想起十几年前的加拿大蒙特利尔万国博览会中的美国展览馆,它是由五边形和六边形拼接构成的短程线圆顶建筑。Kroto将这一想法告诉小组其他成员。Smalley经过尝试,终于用20个正六边形和12个正五边形拼成一个60个顶点的C60分子结构模型。C60分子就以短程线圈顶结构的设计者巴克明斯特·富勒的名字命名,简称富勒烯。C60分子结构模型的提出使C60研究小组把握住了实验中的意外结果,为整个C60的发现过程画上了圆满的句号。

为什么科学实验有着很强的目的性和计划性而实验的结果却常常出现意外和偶然?众所周知,科学研究是人类对未知世界和未知规律的探索。虽然每一次科学探索都是基于已经掌握的知识和规律,并且有着既定的目标和周密的研究计划,但是科学研究中主体的认识水平和客体的未知因素决定了实验结果往往会出乎研究者的意料之外。C60发现的偶然性也正是上述两种因素综合作用的结果。一方面,在1985年以前,人类对碳元素单质的认识只停留在金刚石和石墨两种同素异形体上,从这种固有的观念出发,C60的出现当然是个意外。另一方面,科学研究中客体的未知因素又导致偶然现象可以在自然状态下出现,也可以在人为干预下出现;可以在无意识的干预下出现,也可以在有意识的干预下出现,而C60就是在人们无意识的干预下出现的。C60的发现再次给我们以启示:把握住这一契机,把无意识的干预变为有意识的干预,认识到“干预”的存在,即发现或找到过去的科学经验中未曾施加过的人为或自然因素,很可能导致科学技术的突破。C60研究小组最初选择了能够产生C60和C70的实验条件完全是偶然巧合,因为开始时他们的研究兴趣与C60和C70无关,而且在实验进行之前,他们根本不知道存在C60和C70分子,因此C60的出现完全出乎意料。正是这种必然性决定了在科学研究中必须遵从“相同实验条件下实验现象可重复”的根本原则。

偶然性是事物发展过程中可以出现,也可以不出现,可以这样出现,也可以那样出现的趋势,它是由事物外部的或事物内部次要的、非本质的原因即非根本矛盾引起的。C60的发现告诉了青少年这样一个哲学道理。

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