除金刚石和石墨外，第三种形态固体碳的存在目前似乎无可争辩，在亚利桑那大学和德国马克斯普朗克（Max Planck）研究院核物理研究所，协作研究的物理学家们已能合成可回收批量的固态物质Buckminsterfullerene（又称“巴基球”）一种具有英式足球几何形状的C₆₀分子。

C₆₀是称为巴基球的闭合碳壳层家族的典型成员，自1985年以来，它们的存在一直是个萦怀的问题。当时，休斯敦赖斯（Rice）大学及英国布赖顿（Brighton）萨塞克斯（Sussex）大学的化学家们提出：这种分子能用来解释激光使石墨蒸发实验的质谱分析数据。毫无疑问，目前，在低倍放大条件下有效的巴基球表征需要花费化学和物理学家们未来好几年时间。据一直研究和巴基球的科学家判断，该化合物将很有可能具有重要的实际用途。

按亚利桑那物理学教授唐纳德 · R · 赫夫曼（Donald R. Huffman）所言，C₆₀的合成表现出格外的简单，他带着研究生洛厄尔 · D · 拉姆（Lowell D. Lamb）与马克斯普朗克物理学家沃尔夫冈 · 克拉奇曼（Wolfgang Kr?tschmer）及研究生康斯塔丁 · 福斯蒂罗保勒斯（Konstantin Fotinopoulos）合作开展了该研究。在氦气100乇压力下自纯石墨电极蒸发形成的碳黑包含约5%的C₆₀从碳黑中萃取C₆₀是简便易行的。

赫和克令人惊愕的发现激发起了对巴基球感兴趣的化学家之间的研究竞赛，C₆₀可能是一种具有截面正20面体——带有60个顶角及32个面的多边形，其中12个为五边形，20个为六边形——几何形状的球形芳香分子。首先提出这个观点的有萨塞克斯化学及分子学教授哈里 · F · 克劳特（Harry F. Kroto）、赖斯化学教授理查德 · E · 斯莫利（Richard E. Smalley）和罗伯特 · F · 柯尔（Robert F. Curl）以及赖斯研究生詹姆斯R · 希思（James R. Heath）和肖恩 · C · 奥布赖恩（Sean C. O'Brien），五位化学家均深入地潜心于对C₆₀和巴基球的研究，并迅速转向开发这些分子的新合成途径。

同时，其它研究小组也涉足于巴基球领域。

“这好像是某日早晨，当你醒来时突然发现了苯，并且确实存在有待研究的芳烃化学。”斯莫利说，"这是一种新形态的碳，今非1825年，而是20世纪，我们拥有一系列让人不可思议的技术，用于研究这些分子。”

自1968年赫夫曼抵达亚利桑那以来，他的实验室研究的一条主线是石墨碳黑的光学特性研究，这被认为是星际尘埃的一种主要成分。从1977年起他就与克拉奇曼合作，他们对石墨碳黑的兴趣起源于星际物质吸收及发射光谱中某些未作解释的特征，包括一种小颗粒石墨引起的217 nm处强烈的吸收谱带——一簇使天文学家困惑了70年的可见光范围内未鉴定的星际吸收谱带——和数簇多环芳烃引起的强烈发射谱带。实际上，正如赫和克在他们最近发表在《自然》杂志中文章指出的那样，原先对导致巴基球假说的研究起促进作用的是克劳特对星际物质表征的兴趣。

“起先我们无意寻找C₆₀”赫夫曼说。但在1983年，物理学家们注意到在他们正合成的石墨碳黑的超紫外光谱上一种新的特征，他们称之为“骆驼样品”，因为在217 nm附近存在二簇吸收谱带，而先前样品产生只包含该区域内一簇单一吸收谱带的光谱。

“回头再留神一看，的确是C₆₀”赫夫曼说，在1985年巴基球假说提出后，赫和克慢慢使自己确信他们的碳黑包含C₆₀，而且该分子是造成他们正观察的光谱特征的主要原因。

截止1989年夏，克拉奇曼已经证实：石墨碳黑的红外吸收光谱使人联想到可能以肉眼可见的量存在。像C₆₀那么大的大多数分子的红外光谱预计将是很复杂的，而许多理论计算表明：高度对称的截面正二十面体可能仅有4条红外谱线。在靠近为C₆₀预测的谱线位置上，克拉奇曼的碳黑红外光谱包含4条谱线。

为了让谱线起源于C₆₀的观点站得住脚，克和赫从99%C-13石墨制备碳黑。起源于来自¹³C碳黑的C₆₀的红外谱线会因一个不变因子而改变，该因子表示谱线的载体是一种只含碳的分子。

自那以后，事情进展很快。克拉奇曼发现红外谱线的载体可溶于苯，产生一种酒红色到褐色的溶液，石墨碳黑是不溶于芳烃溶剂的。物理学家们从碳黑中分离出了红色溶液，并轻微加热将苯蒸发掉，留下一种暗褐色到黑色的结晶物质残余。

赫和克发表在《自然》杂志的文章报道了这种物质的性质、质谱、X射线衍射数据及红外和超紫外/可见光光谱结果都支持该物质含巴基球混合物且主要是C₆₀的观点，另外还存在相当数量的C₇₀，这与斯莫利、柯尔和克劳特的原始结果恰好吻合。赫和克已通过图森研究公司技术处提出了巴基球的制备、净化及分离专利的申请。

克劳特和同事还发现靠石墨蒸发形成的碳黑被放入苯中时，会产生一种红色溶液，这种溶液可从不溶性碳黑颗粒中慢慢倾滤出来。将在《化学信息》杂志上作简短报道的研究中，化学家们证实从碳黑中萃取出的物质的质谱图包括与C₆₀和C₇₀有关的强峰，及对应于其它巴基球，C_n，n=62，64，66，68等的较弱的峰。

萨塞克斯的化学家也报道了他们用层析法分离C₆₀和C₇₀的过程。他们已确定：C₆₀是一种在芳经溶剂中能形成绛红色溶液的芥子色固体，而C₇₀是一种在芳烃溶剂中能形成红色溶液的红褐色固体，克劳特说。

萨塞克斯的化学家们测定的C₆₀的¹³C核磁共振谱是一条单独的谱线，证明分子中所有碳原子都是等效的。克劳特惊呼其结果“振奋人心”，并补充说这种具有单独谱线的¹³C核磁共振谱“是我5年之梦寐所求”。C₇₀的¹³C核磁共振谱包含5条谱线，所成比例与1985年柯尔、克劳特、斯莫利及同事们首次提出的分子结构假设[美国化学会杂志107，7779（1985）]。C₇₀与C₆₀类似，具有10个“额外”的碳原子，插入截面正二十面体中心周围的六边形的键中，成为一种“蛋形”巴基球。

在IBM，整个1990年上半年，贝休恩和梅杰尔没有意识到美、德两国科学家正在进行的研究，直到六月中旬，他们自己的数据使他们确信已用石墨激光蒸发分离了少量的C_60。

“几年来，我一直在考虑这个原子团，尤其是我们如何开发新的光谱技术去研究它”贝休恩说。他与IBM科学家海因里希 · E · 亨齐克（Heinrich E. Hunziker）讨论了他的许多捕集原子团离子的主张。在阿尔马登研究中心的海因里希研究小组已开发了具有很高灵敏度并能在表面上测定物质的一种质谱仪，亨齐克建议贝休恩在致力于建立一套捕集及表征原子团离子装置的雄心壮志之前尝试一下某种简单的测定方法。

在确信他们能重现在赖斯进行的原始实验后，贝休恩和梅杰尔开始了他们分离C₆₀的尝试，“我们所做的工作大体上是将斯莫利的仪器一分为二，”梅杰尔说。现在在一台仪器上，在氩气中，激光使石墨蒸发。在正蒸发的石墨附近放置一种沉积作用物，作用物的性质好像不很重要，IBM研究者采用包括铜、金和熔融氧化硅之类的物质。

然后，将这种具有沉积原子团的作用物装入第二台仪器，在仪器内，用激光从作用物中解吸原子团，而且，原子团被脉冲超声气体膨胀而夹带出来，将其冷却并送入一台快速扫描质谱仪。

贝休恩和梅杰尔在首次收集巴基球的尝试中获得了成功，质谱结果揭示了C₆₀、C₇₀和较少量比C₆₀大的巴基球分子的存在。在一次同位素扫描实验中，¹²C和¹³C石墨在连续步骤中被蒸发到同一种作用物上，结果使IBM科学家确信，在第一台仪器上有巴基球产生，而不是在质谱分析前的激光解吸步骤中。他们的结果将在《化学物理杂志》上报道。

贝休恩在IBM的一次非正式讲话中谈论过研究的初步结果，几星期后，一位同事提醒他注意《化学物理通讯》上赫和克的论文，贝休恩和梅杰重做了实验并获得了碳黑的质谱图，谱峰包含对应于C₆₀和C₇₀的峰。

在赖斯大学，斯莫利和柯尔同样意识到赫和克的研究，一个最终牵涉17位赖斯化学教职工、博士后和研究生的合作组逐渐形成。在国家科学基金会（National Science Foundation）、罗伯特 · A · 韦尔奇基金会（Robert A. Welch）、海军研究局（Office of Naval Research）、美国陆军研究局（US. Army Research Office）和能源总署（Department of Energy）资助的研究中，合作组开发了一种每天能制备几克C₆₀的新赫 - 克法。用斯莫利称为“接触弧”的方法，石墨在100乇氦气下蒸发，可制备约%10C₆₀的碳黑。制备C₆₀的赖斯计划的详细描述及合作组初始C₆₀化学和电化学研究的报道将出现在《物理化学杂志》上。

显然，赖斯化学家首先化学地改进了C₆₀。据斯莫利说，赖斯化学副教授马科 · A · 修福力尼（Marco A. Cuifolini）建议他们尝试一下C₆₀的伯奇（Birch）还原，一种在共轭双键上加氢的反应。该反应将暗色C₆₀转化成灰白色的物质。质谱分析数据表明C₆₀H₃₆和C₆₀H₁₈两种组分均存在。斯莫利注意到36是在英式足球状CM的每个五边形上留下一个单独非共轭双键所需的氢原子数目。用2，3 - 二氯 - 5，6 - 二氰基苯醌（2，3-dichloro-5，6-dicyanobenzoquinone）——一种高度选择性氧化剂一对伯奇还原产物进行处理可生成一种与C₆₀无法区别的化合物，表明分子的还原是完全可逆的。

赖斯合作组的另一名成员、化学教授朗 · 威尔逊（Lon J. Wilson）指导了利用循环伏安测量法研究C₆₀的电化学特性研究，并已发现溶于二氯甲烷的C₆₀在两次波动中经受电化学还原变成C₆₀^2-，和C₆₀^2-，两个还原反应均高度可逆，斯莫利说，使我们联想到有可能电化学地制备稳定的“buck ide”盐，“这些作为新型材料的盐，可能具有多种用途，或许还能开发成一种新型可充电电池，”他补充说。

斯莫利指出在赖斯进行的石墨与钾、镧、铀及其它金属浸渍的激光蒸发研究已经提供了可制备含有一种单独金属离子的巴基球骨架结构的证据。如果赫 - 克法或其改进型能用来制备一定量好比这里C₆₀Mⁿ⁺（这里M是某些金属离子），它将标志着材料科学领域的一个重大事件，斯莫利说。C₆₀分子的“外部”会具有自身的化学性质，骨架结构内的离子可被芳香碳壳化学地掩蔽，而这种离子很可能影响巴基球的光学和氧化还原特性，因此，靠将不同的离子放置在骨架结构的内表面来调整“外部”化学性质是可能的。

“很显然，说这些还为时过早”斯莫利说。“但会存在一个全新的材料领域，可能具有很重要的特性。”

在洛杉矶加利福尼亚大学（UCLA），化学教授罗伯特 · L · 惠顿（Robert L. Whetten）和弗兰科斯 · 迪德里奇（Francois Diederich）正与赫和克合作进一步表征C₆₀和C₇₀。研究由国家科学基金会提供资助。UCLA化学家在氦气条件下用阻抗性加热使石墨蒸发制备碳黑，用沸腾苯或甲苯萃取碳黑，形成一种褐红色溶液，蒸发过程获得一种主要含C₆₀和C₇₀的黑色结晶物质，产率14%，对此分析表明该物质约含85% C₆₀和15% C₇₀。

据惠顿说，由于这种物质在多数有机溶剂中的溶解度差，故C₆₀/ C₇₀的完全分离将是一项挑战性任务。UCLA化学家发现在中性氧化铝上，用正己烷进行柱层析能获得两种巴基球的绝妙分离，具有99.85%的纯度和99%上的C₇₀纯度。

化学家们利用质谱和¹³C核磁共振谱对C₆₀/ C₇₀混合物进行了表征，获得了一定程度上与其它实验室相互重复的结果。但是，C₆₀/ C₇₀混合物的几次质谱分析暗示C₆₀/ C₇₀的平均比值是87：13，这与UCLA小组所作的层析和¹³C核磁共振谱分析估计相当吻合。赫和克原来估计C₇₀仅占样品总量的2%。UCLA的研究说明这可能是一种过低估计，因在为红外及质谱分析准备样品期间，C₆₀有选择性地升华。

UCLA研究者们也获得了正己烷中纯C₆₀和C₇₀的超紫外/可见光吸收光谱。他们注意到：C₆₀峰最高点与赫和克在“自然”文章中报道的稍有差别。另外，他们说，C₇₀谱图不同于先前任何一次报道。在328 nm，256 nm和211 nm处具有强谱带的C₇₀超紫外/可见光谱使中性C₆₀成为星际220 nm吸收谱带的载体变得不太可能。中性C₇₀是否是造成这种星际谱带的原因仍是个待解的问题。

吸收数据表明C₆₀和C₇₀的净化“差别很大”，惠顿说。他还强调：UCLA的研究并未假定C₆₀的分子结构已被证实。“如果已知其结构，你就会有一个关于键长、键角等的影像，”他说。这种证据将不得不等待详细的晶体结构出现，这正是惠顿、迪德里奇、赫夫曼和克拉奇曼合作努力的方向，其它研究小组也在着手解决这个问题。

但此时此刻，几乎无人在认真地怀疑C₆₀的英式足球形状是否正确。正如斯莫利指出的那样，在C₆₀和C₇₀成为化学供应部门获得的廉价精细化学品之前，这只是个时间问题。C₆₀的确是新型分子、碳的新型固体形态，他们是有机合成的新型起始原料。五年前许多观点认为稍微有点草率的假设而今却随时有可能变成化学的一门新分支学科。

[CEN，1990年10月29日]