三）液晶物理學進展

1．液晶的早期發現與研究①

　　液晶的發現通常追溯到1888年，奧地利植物學家賴尼澤爾（Reinitzer,F.）的實驗工
作。他把膽甾醇苯酸酶加熱到145.5℃時，發現晶體融成一片混濁的液體，繼續加熱到178
.5℃時，混濁的液體又變得清澈透明。把液體冷卻，液體又從紫、橙到綠各色變化。開始
時，他認為這種物質具有兩個熔點，並懷疑是由某種不純因素造成的。在同年，他把這一
現象告訴德國卡斯魯爾大學物理學家勒曼（Lehmann,O.）。勒曼是晶體光學研究的創始人
，並首次把偏光顯微鏡用於晶體研究。在偏光顯微鏡下，勒曼發現，這種奇異的液體具有
與晶體類似的雙折射性質。他首次把這種狀態的液體命名為液晶。

　　液晶的發現本應成為諾貝爾獲獎的項目，未能實現的原因之一是確定首先發明人比較
困難。勒曼曾被數次提名參加諾貝爾獎候選，由於賴尼澤爾與之爭奪液晶發明權而未能成
功。事實上，誰先發明液晶確實難以確定。在1887年，第一個諾貝爾化學獎的得主，荷蘭
化學家范托夫 （Van′t Hoff， Jacobus Henricus1852～1911）就發現了螺旋狀液晶的光
活性。他曾把這一發現寫信告訴勒曼。這封信已被印在一些有關液晶的書籍上。液晶發現
未獲諾貝爾獎的第二個原因是，當時的一些知名學者對是否存在液晶表示懷疑。曾因建立
熱力學第二定律獲得1920年諾貝爾化學獎的能斯脫（Nernst，Hermann Walter 1864～ 19
41）就堅持認為，液晶只不過是液體與晶體的膠體體系。儘管在早期，也就是本世紀20年
代以前，已經用各種方法合成出300多種以上的液晶，不少人為液晶的生存權向權威人士努
力抗爭，例如弗里德爾（G.Fritdel）曾在20年代以200頁左右的論文詳細地論證了液晶與
液體、晶體的區別，並把液晶分為層狀相、絲狀相和螺旋相三大類，然而在當時，許多物
理學與化學工作者的興奮點轉向了繁榮興起的量子力學，液晶研究已被量子力學成功的浪
潮所淹沒。

　　1933年，法拉第學會召開的研討會上，液晶首次得到正式承認。在這次會議上，弗里
德里克茲（Freedericksz）報告了磁場對液晶分子排列的轉變效應。從30到60年代的30多
年間，關於液晶形成了兩大理論體系。一是宏觀的連續體理論，該理論利用質心速度和分
子平均單位取向矢量——指向矢——描述液晶長棒狀分子的運動。1961年和1968年，J.埃
里克森和F.M萊斯利分別建立了向列相和膽甾相的流體動力學非線性方程。該理論表明，向
列相和膽甾相具有五個粘滯係數，質心運動與分子轉動互有影響。膽甾相的運動與溫度有
關，它的流體力學方程已被實驗所證實。另一個理論為液晶的微觀理論，它的建立經歷了
一段很長的曲折過程。液晶發現後，曾吸引玻恩、德布羅意、玻色等一些著名物理學家投
身到這一領域研究。早期液晶的微觀理論，稱為分子群落學說，它就是由玻色所倡導，後
經洛侖茲的學生奧恩斯丁（Ornstein）與卡斯特（Kast）正式上升為理論。該學說認為，
液晶是分子群落的混成體。根據絲狀液晶的散射本領比普通液體強得多這一實驗事實，該
理論認為，普通液體的散射來自單個分子的布朗運動；而液晶的散射則來自分子群落的起
伏漲落。他們根據液晶對光的散射強度，推算出散射截面的直徑為0.1μm，因而每個分子
群落約含有105個分子。群落間的相互作用很弱，排列雜亂無章，由於折射率不均勻而造成混濁，然
而在外場作用下，極化扭轉致使分子群落趨向排列整齊，而使液晶透明。這一理論在物質
的分子、原子層次之上，又增添了一個“群落”的新層次。無論證實還是否定它，都將是
對物理學的基礎性貢獻。

2．德燃納對液晶基礎性研究的貢獻

　　德燃納（de Gennes，Pierre Gilles 1932～）年僅26歲時，便被任命為巴黎大學固體
物理學教授，在該校講授金屬與合金的超導理論。在這一時期，正處於液晶顯示技術發明
所掀起的世界性液晶研究高潮之中，此時，德燃納受命在巴黎大學組建液晶研究小組。很
快地，這一研究組在液晶光電效應的研究方面做出了卓越的貢獻。與世界同行，特別是與
美國同行相比，德燃納研究組更側重於液晶的基礎性研究，使他很快地成為該學科中有影
響的人物。

　　德燃納首先抓住了液晶光的反常散射這一基礎性課題。他放棄了分子群落學說，而以
連續體理論中的指向矢作為基本概念，把指向矢的熱起伏漲落作為液晶反常光散射的理論
出發點。他認為，由指向矢空間運動的傅立葉變換，可以把漲落轉化為波矢空間諧振子的
振動。然後，根據經典統計力學的能量均分定理，就可以得出液晶與普通液體光散射截面
之比，該比值為105～106，恰好為光波長與分子尺度比值的平方。這一理論結果很快被實
驗所證實。德燃納的這一成果，不僅說明了早期分子群落所說明的現象，而且還更具有說
服力地證明了液晶散射光所表現出來的退極化，這正是1951年被卡特林（Chatelain）實驗
觀測到，卻不能由分子群落理論說明的一個關鍵的現象。德燃納的這一理論發現，使統治
液晶研究幾十年的分子群落理論走向衰亡。在此同期，在隨着液晶顯示技術帶來的液晶研
究高潮中，不少物理與化學家被捲入到液晶研究。其中有因Ising模型二維嚴格解，同時建
立從普通鈾238中分離鈾235的氣體擴散法基礎理論而聞名於世，並獲得1968年諾貝爾化學
獎的美國化學家翁薩格（Onsager，Lars 1903～1976），他建立了“硬柱”模型絲狀液晶
相變理論。建立類似液晶理論的還有因研究高分子聚合物，並研製成功尼龍、氯丁橡膠而
聞名於世，並獲得1974年諾貝爾化學獎的美國化學家弗洛里（Flory， Paul John1901～）。除此
以外，有人還從平均場出發，提出了一些其它液晶分子的統計理論。與這些人相比，德燃
納更為成功，他卓有見地地抓住了朗道在1937年建立的二級相變理論。這一理論把系統的
自由能密度在相變點附近，展開成序參數及空間微分的冪級數。與平均場理論相比，它不
僅數學上更簡潔，還能得到平均場未能發現的新維數，而且更容易推廣應用到一級相變，
即絲狀相——各向同性相變。

　　德燃納首先構造出用於闡明絲狀相與層狀相的相變理論，這一研究使他注意到了液晶
與超導體間的相似性。在層狀相分子層排列的周期性中，他增加了一個複數有序參量，用
來描述分子的密度函數。他發現，這一函數與描述電荷超流體的朗道-金茲堡自由能密度完
全相似。他首先指出，應該能在層狀相液晶中找到超導體中對應的效應。由於絲狀相與層
狀相相變理論的研究成果，德燃納獲得了1991年諾貝爾物理獎。德燃納1973年出版的首部
關於液晶理論的專著《液晶物理》已成為這一領域的權威性著作①。

　　70年代末，液晶基礎理論研究獲得的成果，促進了一些相關技術領域的飛速發展。液
晶顯示廣泛地應用到各種電器儀表，液晶平板彩色電視已從試製走向商品化大規模生產。
德燃納被任命為巴黎物理化學學院院長。此時，他的研究課題轉向化學與物理的一門交叉
學科——高分子聚合物物理。由70年代發展起來的，如中子衍射、激光非彈性散射等新實
驗手段為高分子長鏈在大尺度範圍的構型研究準備了條件。而在70年代發展起來的密度泛
函、費因曼圖與重正化等理論工具，又使人們從高分子鏈排列的統計力學與相變理論聯繫
間找到許多新的標度規律。德燃納運用他處理液晶相變時簡捷的數學技巧，再一次在新的
方向上做出了不少創造性的工作。1979年他所出版的專著《高分子聚合物物理的標度概念
》成為他又一部傳世之作②。1958年以來，這位液晶基礎性研究的巨匠又開始了生物膜的
研究。根據與鐵電液晶的類比，他敏銳地判斷出，利用由日本兩個實驗室同時發現的人工
合成手征生物膜的螺旋構形，可以解釋生物膜的機理。1988年他又出版了一部關於生物膜
的專著③。

3．液晶生物膜研究④

　　早在1854年，對細胞學的創立做出決定性貢獻的德國病理學家魏爾嘯（Virchow，Rud
olph Carl 1821～ 1902）就發現，神經細胞髓聚脂溶液具有偏光性，這本是液晶的重要特
征之一。1933年，法拉第液晶討論會上，生物結構的液晶性質被正式提出來討論。1965年
，在肯特（Kent）召開的第一屆國際液晶會議上，生物液晶已被列為正式議題。1974年，
在斯德哥爾摩召開的第五屆國際液晶會議上，人們把生物膜與溶致液晶正式聯繫在一起進
行討論。

　　生物液晶研究的起點是關於紅血球的形狀問題。其實，固體與液面的形狀自始至終都
是凝聚態物理的難題。晶體表面形狀、各種液面的形狀曾一次次地困擾着人們。1901年，
伍爾夫（Wulff）曾利用表面能極化變分確定晶體表面形狀。60年代又得到了伍爾夫定理對
二維晶體的嚴格證明，但對三維晶體的證明至今未能解決。雖然液面形狀方程早在1806年
就由拉普拉斯給出，但是關於肥皂泡的球面解唯一性的嚴格證明，直到本世紀50年代才由
前蘇聯幾何學家亞歷山大洛夫完成。為了這一工作，他開拓了曲面整體微分幾何的多種研
究方法。同樣，紅血球細胞的形狀也是一個奇異而古老的難題。

　　自顯微鏡發明之後，人們很快就發現了一個令人感到奇異的現象，人體紅血球呈奇異
的雙凹碟形。從60年代到70年代初，這個問題曾吸引許多生物與物理學家，他們嘗試從不
同角度提出各種模型進行解釋。1968年，馮元楨與湯（Tong）曾從薄殼力學角度，給出了
紅血球的計算模型。這個模型類似兩個彈性薄殼包住各向同性液體的“三明治”，為使薄
殼呈向內凹狀，必須假定薄殼厚度是不均勻的，然而這個假設與顯微鏡的觀察並不一致。
同一年，羅佩茲（Lopez）等人從電學角度做了解釋，認為向內雙凹的原因是中間膜部分帶
電與四周不同的結果。這一假設又被實驗所否定。1969年，史里瓦斯塔夫（Shrivastav）
和布頓（Button）又假定紅血球膜的相向部分，存在有某種長程力，中間的雙內陷正是這
種引力的結果。這個說法又被電鏡的檢驗否定。還有人把雙凹成因歸結為膜中膽固醇分布
不均勻，中心部分含量少造成邊緣有較大的內應力向外彎去；中間部分含量多內應力小而
由內凹變為平坦。然而實驗發現，膽固醇在膜上的分布是均勻的。1970年，加拿大一位生
物力學家卡恩漢（Can－han）從彈性勢能最小狀態提出了一個數學模型。他令H為膜面平均
曲率，膜面彈性勢能E=∮（2H）2dA應呈最小值，由此經過計算機模擬，恰好得到雙凹碟形
狀態。然而，在 1976年，有人否定了這一結果，因為可以證明，槓鈴狀也能滿足表面膜彈性勢能
最小值的要求，可是這種形狀的紅血球卻從未見到過。由此，紅血球的形狀成為一個長期
懸而未解之謎。70年代液晶的基礎理論逐漸趨於成熟，把對生物膜的研究與液晶聯繫起來
，紅血球的形狀問題才得到了初步解決，與此同時，生物液晶的研究也由此正式開始。

　　應用液晶基礎理論，首先對紅血球形狀做出較成功解釋的是德國的海爾弗里奇（W.He
lfrich）。1968年，美國無線電公司（RCA）的海爾梅爾（G.Heilmeier）發現液晶顯示技
術，掀起了研究液晶的高潮，海爾弗里奇正在美國無線電公司工作。70年代初，他回到歐
洲進入瑞士羅切公司工作，仍從事液晶顯示技術研究。1971年，他與該公司的夏德特（Sc
hadt）一起，發明了扭曲絲狀液晶場效應，這一發明
導致了液晶顯示技術實現工業化，使液晶技術在全世界迅速發展。紅血球形狀問題同樣
吸引了海爾弗里奇，他認為只有從液晶的角度出發，才能得到正確的解答。海爾弗里奇從
瑞典的歐辛（C.Oseen）與英國的弗蘭克（F.C.Frank）建立的液晶彈性理論出發，將指向
矢概念引入到該理論的彈性能公式，導出了彎曲膜的彈性自由能公式，F＝（k/2）∮（2H
+C0）2dA＋k∮KdA+△p∮dV＋λ∮dA，其中H與K分別為膜面的平均曲率與高斯曲率，△p及
λ則是膜內外滲透壓差及膜表面張力，k及是液晶的彈性係數及其與膜厚度的乘積。理論推
得k與的數量級為10-11爾格，已被實驗證實。1987年，中國物理工作者歐陽仲燦與海爾弗
里奇利用對彎曲膜彈性自由能 F進行變分，得到了人工生物膜形狀的曲面方程。1993年，
歐陽仲燦又與另兩位中國物理工作者胡建國、劉寄星等人證明，紅血球的雙凹碟形恰為該
曲面方程的解。由於這一難題的破譯是在液晶模型框架下完成的，細胞膜非液晶莫屬。80
年代末，海爾弗里奇的膜自由能已被進一步引作二維系統的哈密頓量。在此基礎上，物理
學界中開展了隨機表面與量子膜的研究，這一研究意義深遠。德燃納在諾貝爾物理獎獲獎
講演中，曾把它與超弦理論聯繫在一起，認為“肥皂泡的描述概念與高智商的超弦理論思
想，在某種程度上如出一轍。”海爾弗里奇的液晶生物膜理論問世以後，這種複雜的數學
描述並未被膜研究的生物工作者所立即接受。1990年，歐陽仲燦由海爾弗里奇方程得到了一種稱為
環形泡的環形曲面解。這個解存在有一個苛刻的

巴黎高師實驗室所證實。他們在人工生物膜中看到了大小不等的24個環形

　　1992年，該實驗室又從實驗中發現了非對稱的環形泡，1993年，歐陽仲燦再次證明，
這種稱為杜邦環面的非對稱環形泡是海爾弗里奇方程的又一個精確解。這是一個理論指導
實驗發現，實驗推動理論研究的極其生動的事例。它不僅密切了物理與生物兩大學科的溝
通與合作，而且進一步把液晶生物膜的研究推向高潮。在液晶生物膜研究中，理論凝聚態
物理與生物科學相互滲透與交叉的另一個生動的事例是手征生物膜的研究。手征生物膜屬
螺旋相液晶。人們很早就發現，在眾多的生物形態中，像海螺、蝸牛、螺旋細菌、各種盤
緣植物等的螺旋狀形態非常普遍。就是在組成生物的各個層次中，也普遍存在着手征不對
稱，如地球上發現的氨基酸多為左旋，蛋白質和DNA基本上是右旋。曾有許多人對這一現象
感興趣，因為這種不同層次的生物結構對某種旋向的傾向，一定與生命起源與進化這一更
深層次的奧秘有關。

　　80年代初，中國物理學者林克椿曾對天然生物膜的螺旋結構進行研究。1984年，日本
有兩個實驗室同時發現了同一類手征分子組成的人工生物膜的螺旋結構。在較高的溫度下
，這類膜呈閉合泡狀，溫度降到某一臨界溫度下，泡解體，膜分子重新凝聚為一扭曲的螺
帶。隨着溫度的再降低，螺帶不僅沿軸生長，而且還能像細藤一樣，沿軸纏繞，螺角接近
45°，螺矩 0.1～10μm。這種細藤帶不僅能沿軸伸長，還能沿橫向加寬，最後使螺矩間
閉合而形成一條中空的細管。立刻有人從這種奇妙的特性中看到了它的價值。1990年，美
國海軍實驗室發明了在這種細管上鍍金或鍍銅的技術。鍍金或銅後，這種管子可用於光電
技術、微形手術和製作藥物導彈等。這種把生物工程用於微結構加工與醫療技術的大膽嘗
試，不僅表明生物膜研究在生命科學實用性方面的巨大潛力，也進一步促使理論界躋入破
譯生物膜自動捲曲與螺旋結構奧秘的競爭行列。

　　1987年，德燃納曾把生物膜的捲曲力歸結為分子鐵電性與邊緣極化電荷的相互作用。
1986年海爾弗里奇則把螺旋捲曲歸結為膜邊緣處的撓曲彈性，並把線彈性密度寫為Fr=krs
in?cos?，其中?為螺角。1988年，海爾弗里奇與普洛斯特（Prost）把撓曲彈性的解釋推廣
到膜表面，不僅解釋了纏繞的藤帶形態，還說明泡解體後所形成的扭曲螺帶形態。90年代
，歐陽仲燦與劉寄星從液晶本質出發，從頭計算了螺旋膜結構。他們認為，手征生物膜在
溫度降低時，分子發生傾斜。由於分子具有手征性，傾斜取向不平行，而形成螺旋狀排列
。他們把Oseen-Frank液晶自由能項對體積積分，得到手征膜自由彈性能的表述式。其中一
項就是與線場測地撓率相關的能量項，它恰與分子的傾斜與手征性相關。他們由膜與線場
能量的變分得到了曲面與線場的平衡方程，從方程的解恰好得到了膜從泡形到扭曲帶，再
從扭曲帶變化到柱形螺帶的變化過程，不僅與實驗的觀察相符合，而且得到了螺管的半徑
與螺矩同為一個數量級，即0.1～10μm。他們的工作不僅使觀察到的現象與觀測到的數據
有了完全清晰的理論根據，而且極大地推動了手征生物膜的理論研究。液晶生物膜理論是
70年代才發展起來的一門新興邊緣學科。在短短的20多年的時間裡，中國的理論物理工作
者就取得了一系列令人矚目的成果。其中形狀方程的導出、紅血球精確解的得出，
環形膜泡的發現和手征生物膜理論的建立等均出自中國學者之手。在這一前沿領域中，
中國物理工作者不僅占有一席之地，而且已經有着重要的影響①。

（四）有機分子C60研究

1．從星際物質研究到C60的發現

　　長期以來，人們一直認為石墨和金剛石是僅有的兩種碳的同素異構體，1985年9月C60
的發現不僅衝破了這一觀念，而且隨着對C60的研究導致一系列新實驗方法與技術的開發，
更進一步豐富了人們對物質結構的認識。

　　C60的發現始於對星際物質的研究。早在60年代末，人們研究星際物質時發現，在其消
光光譜的紫外區域，有一突起的寬峰，它的中心波長為220nm。當時人們認為，它們對應石
墨粒子，然而對石墨消光鑑定和計算卻發現，上述判斷並不正確。

　　人工條件下的C60則始於對原子簇的研究。原子簇是由若干原子形成的微小集團（clu
ster）。首篇關於原子簇的論文發表於1956年，該論文還介紹了用超聲噴注冷凝過程產生
微團的方法，以後又實現成功惰性氣體離子束轟擊並濺射二次離子產生微團的方法。激光
出現後，人們採用新技術，已經可以製造從金屬元素惰性氣體、化合物及多種合金的原子
團簇，這不僅使原子簇的研究有了長足的進展，還使原子簇的研究超越了以前探討催化、
燃燒、化工、光學與微電子學等課題範圍，導致了C60、C60等碳的同素異型結構的發現。

　　1984年，羅爾文（E.A.Rohlfing）用530nm的高功率激光短脈衝轟擊石墨，使石墨蒸發
以獲得微團。他發現在C+n中，除了在n＜30中，出現幻數3、11、15、19以外，在n＞30中
，還存在n=60、70的幻數。1985年，英國布賴頓的蘇塞克斯大學波譜學家克羅托（H.Krot
o）和美國休斯頓大學化學家斯莫利及其研究生吉姆希斯等人一起，進行了碳的激光蒸發實
驗。他們用大功率激光轟擊石墨表面，並用氦氣流將碳碎片構成的等離子體吸入帶有噴嘴
的集結區。在集結區碎片熱碰撞形成新的碳分子。經質譜觀察發現，產生了豐度約40倍於
其它臨近信號的C60分子，同時還找到了C70分子的質譜信號。這一實驗給出了存在穩定C6
0的有力證據。由於原子簇中“60”這數很大，又由於實驗的結果異常穩定，他們認為C60
不應存在懸鍵。受到美國著名建築師巴克明斯特·富勒設計成功的圓頂建築①的啟發，他
們把C60分子設想為具有12個五邊形和20個六邊球組成的32面體結構，它近似為球形，恰有
60個頂角，60個碳原子各占一角，它們均處於彼此等價的位置。每一個六角環類似一個苯
環。相鄰的碳原子間以8p2雜交軌道形成共軛雙鍵，而在多面體構架的內外，圍繞着電子云
。顯然這是一個單純由碳元素結合成的大穩定分子，屬於具有大共軛雙鍵的芳香族。由於
這一結構受到富勒的短線穹窿建築所啟發，遂命名為巴克明斯托·富勒烯烴，簡稱富勒烯（Ful
lerene），又因C60分子的多面結構與足球酷似，又稱為“巴基球”（Buckyball）或“足
球烯”。克羅托等人的這一發現具有重要意義。在他們所發表的論文①中，曾預言由於C6
0猶如一個小的微型鋼球（直徑約0.7nm），可能成為超級潤滑劑。此外，天文學家不久前
觀測到某些紫外吸收帶的根源可能來自星際空間的C60。他們甚至根據某些星體、彗尾和星
際空間存在有大量的碳元素，由此推斷，C60可能是生命的搖籃，在生命出現以前，正是C
60的催化作用才產生了多種有機分子。

　　克羅托等人的發現，使許多物理學家和化學家紛紛竟相投入這一課題研究，從1985～
1990年5年間，曾有數篇關於巴基球的論文發表。但是，關於C60分子結構設想仍需進一步
確證，其難點在於如何獲得適量的樣品，此時，對C60的研究仍然處於潛在的發展階段。直
到1990年夏，霍夫曼（Huffman）、克瑞史莫等人發明了電弧法，才解決了這一難題。從7
0年代起，霍夫曼等人開始對星際塵埃在紫外區域的奇異消光光譜進行了系統的研究，他們
首先實現了在氮氣中，利用石墨電極的弧光製備樣品的實驗。經過10年的努力，確定出合
適的氮氣壓、電極形狀及電流密度大小。他們在所收集的樣品光譜中，發現了奇異的紫外
雙吸收峰，它們與過去天文觀察中發現的非常相似。雖然這一發現先於克羅托等人，但是
，他們不敢相信像C60這樣高度有序的東西竟然能在高度無序的電弧蒸氣中生成，生產率又
如此奇蹟般地高，因而錯過了首先發表發現C60的機會。1990年5月，他們想到C60屬於芳香
族，必然溶於苯。於是，在氮氣放電室中，約200安電流強度下，把從電極濺落下來的煙灰
放入苯中，得到酒紅色溶液，蒸發後終於獲得了C60和少量的C60樣品。從一開始，他們就
能每天製備100mg，足夠用於當時的研究。他們的這一成果①發表後，很快地又有一系列改
進的實驗方法問世②。C60的成批生產，掀起了一場全球性的C60研究高潮，就連著名的美國貝
爾實驗室及日本電器研究所都卷了進來。新發現層出不窮，人們不僅獲得了球狀的C60、橄
欖球狀的C70，甚至還發現了管狀的碳分子。

2.C60結構的確認

　　重要的是對C60結構的確認，這不僅需要有足夠的樣品，還需要一系列測試手段與技術
的開發，諸如質譜碳-13核磁共振儀、傅立葉紅外、紫外及可見光吸收光譜、高效液相色譜
、隧道掃描顯微鏡、X射線衍射等。但是當時用X射線對C60進行晶體結構分析時，發現在1
00K低溫下，C60分子晶體仍存在各向同性的旋轉運動，使高分辨的X射線晶體結構分析無法
進行，唯一的方法是破壞C60的高度對稱性。1990年末，霍金斯(J.M.Hawkins）等人成功地
製備出C60的四氧化鋨加成物。測試結果發現，每個碳原子離“球心”的平均距離為3.512
(3)×10-10m，相鄰六邊形共邊鍵長1.388(9)×10-10m，六邊形與五邊形共邊鍵長1.432(5
)×10-10m。利用掃描隧道望遠鏡也清楚地顯示了緊密堆集的足球60角形陣列。自此，C60
的結構設想完全被實驗確認。

　　C60屬於芳香族，它的每一個六角環都類似一個苯環，這一點使人們憶起苯結構的發現
。苯結構曾是有機化學領域一度長期困擾人們的疑難問題之一。1925年，著名物理學家法
拉第從當時用作照明的氣體中分離出苯。自苯問世起，它就給人們帶來一系列不解的疑團
。例如，為什麼這樣一種高度不飽和的烴卻如此穩定。一般不飽和烴容易進行加成反應，
而苯的取代反應倒比加成反應更容易。這一奇異的性質的關鍵在於它異乎尋常的結構。德
國化學家凱庫勒（Kekule Von Stradonitz，FriedrichAugust 1829～1896）解決了這一難
題。凱庫勒早年曾對建築感興趣，加上苯問題長期索繞，生出靈感，使他在1865年乘車打
盹的時候，看到許多原子在跳輪舞。它們排列起來，像蛇吞下自己的尾巴一樣，首尾連接
成一個個轉動着的圓圈。據他講述，這個夢使他得到了開創性的結論，苯的六個碳原子形
成一個環。並且他一開始就指出苯具有正六邊形對稱特性。然而為保持碳的4價性，必須假
定，苯環中應間隔地出現三個雙鍵。這樣將有兩種凱庫勒構式。無論哪一種都與C-C鍵等長
的事實及正六邊形對稱性設想矛盾。顯然凱庫勒環狀平面結構這一光輝思想解決了舊問題
，新的矛盾相繼出現。

　　1931年，德國物理學家哈克爾（E.Hückel）利用他的簡化設想，對上述問題做了解釋
。他以薛定諤方程為基礎，給出了哈克爾方程。解這個方程求出本徵值和本徵解，解決了
平面結構的共軛分子π電子軌道和能量，表明苯中基態碳電子云呈雙面包圍狀分布。由此
證明，苯中基態電子云分布並不是凱庫勒結構中的任何一種，而是二者以相同幾率雜化分
布，這樣就免去了等鍵長與正六邊形對稱性的矛盾。此外，這種環狀分布，沒有重疊於分
子平面的節面，波長必然較長，減小了能量，這就是苯環比較穩定，不易進行加成反應的
原因。可惜的是，苯的奇異環狀結構高度穩定性以及六邊形對稱結構當時沒有引起人們的
足夠重視，也很少有人繼續思考，如果6個碳能如此巧妙地首尾連接成一個高度對稱的平面
環，能否有更多的碳連接成高度對稱的立體結構。如果能較早地從苯結構及其奇異性質中
受到啟發，C60的發現，將有可能更提早幾十年。

　　隨着研究的深化，很快地發現了C60的實用價值。首先，理論和實驗均證實，C60可以
整齊地沉積在平坦的晶體上，如砷化鎵的表面，形成面心立方結構。C60固體又是一種類似
Ga-As那樣的直接能隙半導體。由於C60分子在格點上做無序轉動，使C60固體在某些方面又
與非晶態類似，因此，C60成為繼硅、鎵和鎵-砷之後的新型半導體材料。此外，還可以在
C60球與球間或球籠內摻雜，這些均不僅為微電子技術開闢了新的天地，也同時發現了它們
在超導電技術方面的應用。1991年3月，美國貝爾實驗室報導了他們在這方面的新發現①。
他們在固態C60中摻入鹼金屬K，得到了K3C60，其超導臨界溫度為18K。以後世界各地相繼
完成C60的Rb、Rb、Cs、Cs的摻雜，超導臨界溫度高達30K，已經高於超導合金的轉變點，
並超過了以前的任何一種有機超導體。後來，又有人用Ti部分地替代Rb摻入C60，使臨界溫
度達到48K。這表明，這類超導體的轉變溫度因摻雜金屬元素而不同，此外，摻雜了的C60
可以形成各向異性的三維超導體，它的臨界電流、臨界磁場及相干長度都較大，易於加工
成型，因此作為實用化超導材料有着巨大的潛力。