第22章 原子簇团的发现
我们在讲到“原子”的时候，大多想到的是单个的原子，比如说，碳原子指的是一个碳原子，很少有人会产生“一团碳原子”的联想。如果有人说，的确存在着“一团原子”的说法，那么，反而会觉得他没学过化学。是的，中学的化学课本中，只讲到原子、分子，没讲过什么“一团原子”，一团是多少呀，不明白，也不确定呀。
这也难怪，“一团原子”只是通俗的说法，化学家使用的名词是“原子团簇”。过去，只有不注重数量的文学家使用“团簇”这个词，只要看上去有一团花特别好看，不论数量多少，形状如何，都可以描绘为“花团锦簇”。现在，化学家也使用了这个词，用来描绘20世纪80年代新发现的化学物种。
原子团簇被发现的历史不过20多年。对它的认识只处在入门阶段。只知道原子团簇不是一堆相互间没有关联的原子，而是一个相对稳定的原子聚集体。聚集在一起的原子可以是几个到几百个，甚至更多。这个化学新物种好像神秘的来客，突然出现在原子、分子微观物体之间，等待着科学去认识，去研究，开辟一个化学研究的新天地。发现原子团簇是从研究金属原子团簇开始的，是在研究模拟生物固氮和催化作用过程中，认识到原子团簇是个新物种。如果要问原子团簇的结构是什么样的，只能笼统地说，可能是线状，也可能是一层层的层状，还有球状、管状、葱状，甚至还有骨架状。
面对这个待认识的新领域，科学家首先想的是制备出大量的原子团簇，有了实实在在的样品，才能进行研究。美国的斯莫利就是研究原子团簇科学家队伍中的一员。他有一台激光器，能在极短的时间——十亿分之五秒内，发出巨大的能量——相当10万只100w白炽灯泡的功率。他曾经用这台激光器去轰击过铬、钒等金属。也曾经用来轰击硅和锗等半导体材料，制得了一些原子团簇。
斯莫利后来使用这台激光器，对准石墨轰击的时候，经过几千次实验，得到了完全由碳原子构成的原子团簇。这是一个重大发现，引起了全世界的关注。这个原子团簇一共有60个碳原子，形状是一个足球，这就是碳60。
发现碳60，既是研究原子团簇一个成功的范例，又是一个新的起点。因为，一个难题被破解以后，往往会带出更多的问题，产生新的疑问。这里，顺手就提出3个问题：
（1）富勒烯的形状是一个球，外层是60个碳原于，中心空空洞洞，又像一个笼子。那么能不能在空笼中心装进一个元素的原子？
（2）碳60完全是由碳原子构成的，除了碳原子，还是碳原子。那么，是不是可能用别的原子去替换出一两个碳原子，使纯碳的碳印成为一个掺杂的碳607或者在“足球”的外侧加挂上一些原子或是小分子？
（3）碳60是由碳原子形成的原子团簇，那么，元素的原子，比如硼、铝、铟能不能也形成一个足球分子呢？
这些问题，都需要通过实验来寻求答案，或多或少都得到成果。在碳60的笼中，已经装进了一个外来的原子：镧。这是一个独特而新颖的图像，证明了第1个问题有了明确的答案，碳60的空心笼子里的确可以装进金属原子。于是，一种猜想、一种期望产生了：如果这个金属原子是锂，那么，碳60就有可能成为高效的锂电池；如果是放射线金属原子，就可以用来进行放射线治疗而副作用很小；如果装进去的是稀土金属，碳60就可以开发成新型的激光材料、磁性材料……
第2个问题也取得了进展，碳印的原子不一定都是纯粹的碳原子。碳的原子序数是6，硼的原子序数是5，比碳小“氮的原子序数是7，比碳大1，能不能用1个硼原子或氮原子去取代1个碳原于呢？试了一下，居然行得通，碳60的碳原子不一定是60个，也可以是59个，另加一个硼或氮原子。从这里，科学家又想到了在足球分子外部加上一些的化学成分，发现碳60可以与甲基和苯甲基产生加成反应。最重要的是，实验中发现，碳60与重氮甲烷的反应，形成了新的化合物，这是又一道曙光，碳60的功能还能扩大，还可以形成许多新的有机化合物，使碳60在保留自己的特性时，又加入了新的功能，发展的空间十分广阔。
第3个问题，也是富于联想的科学家很容易想到的问题，既然碳元素能形成球状的笼形分子，有一必有二，甚至第三第四个，元素的原子团簇，也应该有这种结构。还是用实验来验证，结果是，有失败也有成功。常见的半导体硅和锗没有形成原子团簇，而在金属原子团簇中，76个铝原子形成笼状分子铝76，74个铟原子组成了铟74。同时也形成了一个标准的足球分子，原子数是60，只不过是由两种原子共同构成的，其中铟原子数为48个，钠原子数为12个。48+12=60。
原子团簇的研究不断有新发现，引起科学家浓厚的兴趣。可是，科学家们仍然认为掌握的原子团簇还不够多，还不能明确地表述它们的性质和结构，也还不能顺利地开发利用。为了进一步研究，必须大量合成原子团簇，大量合成必须有成熟的方法，而这种方法还没有找到，不知道路在何方。
路在何方？谁来指路？在科学研究中，也需要指导，而当前最重要的是理论指导，需要用理论指出前进的方向。遗憾的是，目前尚未找到一套理论来圆满地解释已经取得的实验结果，新的理论只能在探索中产生，也可能在已出现的学说中产生。
现在的学说有好多种，美国的利普斯科姆对硼和氢的化合物硼烷进行研究后，提出一种缺电子结构理论。因为他发现，在通常情况下，两个电子只能使两个原子结合在一起，而在一定条件下，却可以把3个原子束缚在一起。国外的科学家还提出了金属原子簇的簇价理论，多面体骨架成键电子对理论……
我国的科学家也提出了各种学说，张文卿提出了金属原子簇拓扑电子理论，卢嘉锡提出了类立方烷结构规则，唐敖庆、徐光宪等也提出了自己的学说。
这些理论，虽然从不同角度阐明了原子团簇的结构规律，但是都有局限性，都还不能说已经成熟和完善。如果把原子团簇比作一个尚待开发的化学宝库，那么宝库的大门尚未敞开。现在的实验和理论只能说是从不同角度撬开了一条缝，如果能形成完善的理论，就能顺利地进入宝库。
这也难怪，“一团原子”只是通俗的说法，化学家使用的名词是“原子团簇”。过去，只有不注重数量的文学家使用“团簇”这个词，只要看上去有一团花特别好看，不论数量多少，形状如何，都可以描绘为“花团锦簇”。现在，化学家也使用了这个词，用来描绘20世纪80年代新发现的化学物种。
原子团簇被发现的历史不过20多年。对它的认识只处在入门阶段。只知道原子团簇不是一堆相互间没有关联的原子，而是一个相对稳定的原子聚集体。聚集在一起的原子可以是几个到几百个，甚至更多。这个化学新物种好像神秘的来客，突然出现在原子、分子微观物体之间，等待着科学去认识，去研究，开辟一个化学研究的新天地。发现原子团簇是从研究金属原子团簇开始的，是在研究模拟生物固氮和催化作用过程中，认识到原子团簇是个新物种。如果要问原子团簇的结构是什么样的，只能笼统地说，可能是线状，也可能是一层层的层状，还有球状、管状、葱状，甚至还有骨架状。
面对这个待认识的新领域，科学家首先想的是制备出大量的原子团簇，有了实实在在的样品，才能进行研究。美国的斯莫利就是研究原子团簇科学家队伍中的一员。他有一台激光器，能在极短的时间——十亿分之五秒内，发出巨大的能量——相当10万只100w白炽灯泡的功率。他曾经用这台激光器去轰击过铬、钒等金属。也曾经用来轰击硅和锗等半导体材料，制得了一些原子团簇。
斯莫利后来使用这台激光器，对准石墨轰击的时候，经过几千次实验，得到了完全由碳原子构成的原子团簇。这是一个重大发现，引起了全世界的关注。这个原子团簇一共有60个碳原子，形状是一个足球，这就是碳60。
发现碳60，既是研究原子团簇一个成功的范例，又是一个新的起点。因为，一个难题被破解以后，往往会带出更多的问题，产生新的疑问。这里，顺手就提出3个问题：
（1）富勒烯的形状是一个球，外层是60个碳原于，中心空空洞洞，又像一个笼子。那么能不能在空笼中心装进一个元素的原子？
（2）碳60完全是由碳原子构成的，除了碳原子，还是碳原子。那么，是不是可能用别的原子去替换出一两个碳原子，使纯碳的碳印成为一个掺杂的碳607或者在“足球”的外侧加挂上一些原子或是小分子？
（3）碳60是由碳原子形成的原子团簇，那么，元素的原子，比如硼、铝、铟能不能也形成一个足球分子呢？
这些问题，都需要通过实验来寻求答案，或多或少都得到成果。在碳60的笼中，已经装进了一个外来的原子：镧。这是一个独特而新颖的图像，证明了第1个问题有了明确的答案，碳60的空心笼子里的确可以装进金属原子。于是，一种猜想、一种期望产生了：如果这个金属原子是锂，那么，碳60就有可能成为高效的锂电池；如果是放射线金属原子，就可以用来进行放射线治疗而副作用很小；如果装进去的是稀土金属，碳60就可以开发成新型的激光材料、磁性材料……
第2个问题也取得了进展，碳印的原子不一定都是纯粹的碳原子。碳的原子序数是6，硼的原子序数是5，比碳小“氮的原子序数是7，比碳大1，能不能用1个硼原子或氮原子去取代1个碳原于呢？试了一下，居然行得通，碳60的碳原子不一定是60个，也可以是59个，另加一个硼或氮原子。从这里，科学家又想到了在足球分子外部加上一些的化学成分，发现碳60可以与甲基和苯甲基产生加成反应。最重要的是，实验中发现，碳60与重氮甲烷的反应，形成了新的化合物，这是又一道曙光，碳60的功能还能扩大，还可以形成许多新的有机化合物，使碳60在保留自己的特性时，又加入了新的功能，发展的空间十分广阔。
第3个问题，也是富于联想的科学家很容易想到的问题，既然碳元素能形成球状的笼形分子，有一必有二，甚至第三第四个，元素的原子团簇，也应该有这种结构。还是用实验来验证，结果是，有失败也有成功。常见的半导体硅和锗没有形成原子团簇，而在金属原子团簇中，76个铝原子形成笼状分子铝76，74个铟原子组成了铟74。同时也形成了一个标准的足球分子，原子数是60，只不过是由两种原子共同构成的，其中铟原子数为48个，钠原子数为12个。48+12=60。
原子团簇的研究不断有新发现，引起科学家浓厚的兴趣。可是，科学家们仍然认为掌握的原子团簇还不够多，还不能明确地表述它们的性质和结构，也还不能顺利地开发利用。为了进一步研究，必须大量合成原子团簇，大量合成必须有成熟的方法，而这种方法还没有找到，不知道路在何方。
路在何方？谁来指路？在科学研究中，也需要指导，而当前最重要的是理论指导，需要用理论指出前进的方向。遗憾的是，目前尚未找到一套理论来圆满地解释已经取得的实验结果，新的理论只能在探索中产生，也可能在已出现的学说中产生。
现在的学说有好多种，美国的利普斯科姆对硼和氢的化合物硼烷进行研究后，提出一种缺电子结构理论。因为他发现，在通常情况下，两个电子只能使两个原子结合在一起，而在一定条件下，却可以把3个原子束缚在一起。国外的科学家还提出了金属原子簇的簇价理论，多面体骨架成键电子对理论……
我国的科学家也提出了各种学说，张文卿提出了金属原子簇拓扑电子理论，卢嘉锡提出了类立方烷结构规则，唐敖庆、徐光宪等也提出了自己的学说。
这些理论，虽然从不同角度阐明了原子团簇的结构规律，但是都有局限性，都还不能说已经成熟和完善。如果把原子团簇比作一个尚待开发的化学宝库，那么宝库的大门尚未敞开。现在的实验和理论只能说是从不同角度撬开了一条缝，如果能形成完善的理论，就能顺利地进入宝库。