第四章
孤胆骑侠

1985年8月23日，星期五，AP2中第一次装上了石墨靶。除了希思和奥布赖恩之外，实验室里这时又增加了另外两名学生，一个是蒂特尔的研究生刘元（Yuan Liu），另一个是柯尔的学生张清玲（Qing - Ling Zhang）。刘元和张清玲一起重复了18个月前埃克森小组进行的团簇实验。她们目前并不太关心究竟会得到什么结果，只是想拿含碳体系找找感觉。她们一开始得到的几张质谱看起来似乎与罗尔芬、考克斯和卡尔多在《化学物理杂志》上报道的质谱没什么差别。AP2可以毫不费力地复现埃克森小组观测到的不同寻常的“双峰”分布，即在原子数较少时奇数原子团簇占优，而在C ₃₈ 之后却只有偶数原子团簇的分布。

但是，午后不久获得的一张谱有点异样。学生们在设置飞行时间质谱仪满量程地观察C ₆₄ 的信号时，意外地发现C ₆₀ 的信号明显地超出了仪器的量程，但谁也不知道究竟超出多少。在后来重新定标绘制这张谱时发现，C ₆₀ 的信号比相邻的C ₆₂ 信号高出大约20倍之多，这比埃克森小组报道的质谱上的任何信号都要强得多。C ₇₀ 的信号也十分显著。

刘元在AP2“工作日志”上作了记录。这是一个学生们用来对实验作现场记录的横线笔记本，棕色的硬皮封面上饰有赖斯大学的校徽。除了C ₆₀ 信号溢出之外，观测到的质谱和埃克森小组报道的质谱并没有什么不同，因此，刘元记录道：“观测到与罗尔芬相同的团簇分布。”这批数据已经捕捉到了某种极不寻常的东西：AP2已经开始揭示关于碳的某些长期以来一直鲜为人知的秘密了。

她们还试着用较小的碳原子团簇作了共振加强双光子电离实验。结果发现，尽管C ₂ —C ₆ 之间的离子信号看不到有何加强，那些10个以上原子的团簇信号在调节染料激光器的波长的过程中确实会有所增强。第二天，希思继续了这一实验并证实共振加强双光子电离对C ₁₄ —C ₂₅ 之间的团簇都奏效。这为他们检验道格拉斯的设想提供了一个机会。

现在万事俱备。8月26日，学生们获知克罗托将飞抵休斯敦与他们一起工作。因此他们暂时又回到锗、硅方面的研究上去了，大家就等克罗托来了。

8月29日，星期四，克罗托于下午飞抵休斯敦国际机场。这次他还是借宿在柯尔家里。次日一早，两位科学家从包索沃柯尔的家出发，步行来到离此不远的斯莫利的办公室。

这个办公室兼作会议室使用。白色的墙壁除了几张注意事项和古里古怪的谱图之外别无他物。屋子一头的窗帘似乎从未曾拉开过，整个屋子里的唯一光源来自天花板处射出的强烈的人造光。屋子另一头的墙上靠着一排书架，上面堆着斯莫利个人收藏的《化学物理杂志》、《物理化学杂志》（ Journal of Physical Chemistry ）、《物理评论快报》（ Physcial Re view Letters ）以及其他一些科技期刊。像所有拥有自己期刊的学者一样，斯莫利也有一个伤脑筋的难题。目前，每天发表的科技论文的数目如此之巨，以致这排书架的空间很快就被这些期刊吞噬殆尽了。那些书架上堆不下的杂志只好屈尊待在地板上等候发落。

书架的前面放着斯莫利的办公桌，桌上杂乱地摊着几份论文和一些看过之后未及合上的杂志。办公桌的前面放着一张大理石桌面的咖啡桌，旁边是一张旧的亚麻罩面三座沙发和几把棕色和蓝色的办公室垫椅。这是斯莫利的讨论室。他定期在这里召集小组成员讨论研究工作进展，作出结论并酝酿行动计划。

斯莫利是个严厉的导师。在这些时常十分漫长的小组会议上，他总是喜欢挑学生们和同事们的刺，逼着他们为获得的每一个结论和作出的每一个决定辩护，他总是不断地插嘴打断他们的滔滔陈词，直到他们感到已无力为自己辩解为止。那些可怜的牺牲品在他气势汹汹、不依不饶的追问下往往不得不承认他们原以为坚如磐石的观点或者还有待完善，或者根本就站不住脚，而通向成功所需进行的进一步实验往往就是在这个过程中由模糊逐渐清晰起来的。在总结一连串闪烁着智慧之光而往往略带攻击性的辩论之际，他常常会说：“这就是我们要做的实验！”

斯莫利似乎毫不关心学生们在实验中碰到的在他看来无关紧要的细节问题（尽管他十分清楚这些细节），而总是喜欢在较大的图景上死缠不放，这种态度常常令手下做实验的学生们很窝火。他很清楚用他自己创制的机器究竟能得到点什么结果，实验的具体操作是学生们的事。这当然令学生们叫苦不迭，但他们心里也明白，在化学物理领域取得一流成果绝不会像野炊那样轻松愉快。但是，斯莫利那带有攻击性的态度确实也使一些学生变得过于谨小慎微，在他们自己首先彻底理解之前，他们往往不愿意和大家分享自己辛辛苦苦得来的那点数据。

克罗托终于在这个舞台上亮相了。他给围坐在咖啡桌旁的斯莫利、柯尔、希思和奥布赖恩作了一个非正式的专题报告，内容囊括他所知道的关于碳的一切：星际分子、氰基聚炔烃、星际漫射带、恒星以及碳灰。他还向他们讲述了关于HC ₃₃ N的梦想。报告持续了2个多小时。结束之后，克罗托和斯莫利留在办公室里开始拟定实验计划。

漫长的讨论之后，他们去一家墨西哥餐馆共进午餐。这家名叫古迪公司的餐馆位于科比路上，从空间物理大楼开车去那里并不远。在美国，尤其是在休斯敦，出门的人很少有不坐汽车的。休斯敦或许已不像沃尔夫（Tom Wolfe）在他的《太空英雄》（ The Right Stuff ）中描绘的那样是个“奇热无比还发着恶臭的污水塘”了，但是在8月的正午时分，这里的天气依然炎热潮湿，没有空调护驾，人很快就会晕头转向。

星期五下午，克罗托与实验室里的学生们聊了聊，一来认认面孔，二来协调一下关系。一个星期以前，刘元和张清玲已经用石墨作了一些初步的实验。得出的质谱表明C ₆₀ 和C ₇₀ 中隐藏着某些十分有意义的东西，但它们似乎故意在和人捉迷藏。这些数据现在保存在软盘上的一个文件中。

碳原子团簇实验还不能立即重新上马。星期六，克罗托趁闲逛了逛休斯敦的市区，找找有没有减价书。这一趟他可没白走，这里大大小小的书店数不胜数，有些店专营珍本古籍。1985年9月1日，星期日，克罗托和希思正式启动了他们的碳原子团簇实验。

希思和奥布赖恩都是使用AP2的行家。在实验开始后的头几天里，克罗托坐在实验室里仔细听了希思和奥布赖恩对仪器结构的详细介绍，并不断询问其中的细节。他想准确地知道机器里究竟发生的是什么过程，以便与他脑中的假想实验对照。

对克罗托来说，能在AP2上工作真是件让人兴奋的事。机器运行的时候，Nd：YAG激光器以大约每秒10次的频率一开一关，发出尖利的嘶鸣和耀眼的绿色光芒，这些光经散射之后在实验室的墙上投下忽隐忽现的鬼影。此外还有激基分子激光器那急速而单调的喀喀声，以及真空泵和收集数据的电子仪器内冷却扇的嗡嗡声。

克罗托喜欢把实际操作的活留给学生们去干，自己坐在计算机前盯着不断积累的飞行时间谱，就像1977年他和埃弗里以及冈在阿尔贡金帕克天文台一起监视示波器的屏幕那样。占据了这样一个有利地形，他就可以根据刚刚结束的实验的结果来对下一次实验提出建议。学生们则一边转动AP2上的把手一边思索这些操作会给出什么结果。这种经验老到的实验学家所采用的交互式的工作方法，会激发学生们的创造性，迫使他们一边操作一边思考操作可能带来的后果，这种方法既新颖又有成效。

星期天午后，希思和克罗托开始了他们的首次实验，实验中他们使用了氦气作为“载流”气体。一开始，他们除了埃克森小组已经报道的结果之外什么也没看到。可是让希思不解的是，小团簇和大团簇似乎在到达离子探测器之前就已经分开了。这表明这些团簇还没有充分冷却达到热能化，他决定在被称为“积分罩”的喷嘴上延长一截，以此延长团簇发生碰撞的时间，从而使它们达到充分的热能化。

更换积分罩后，质谱上C ₆₀ 的信号稍有变化，它上升到C ₆₂ 信号的8倍左右。但AP2的工作仍不正常，所有的团簇信号都很弱。

次日一早，科学家们详细地讨论了前一天的实验结果，尤其是在C ₃₈ 以上只有偶数原子团簇这一结果，它与一年前埃克森小组在他们的论文中所报道的一模一样。他们还探讨了该如何解释这一结果。克罗托向大家阐述了他不相信碳炔解释的理由。在讨论的过程中，每个人都在努力想象AP2中发生的过程：气化激光如何把原子和网状石墨碎片抛出固体靶的表面，这些原子和石墨碎片又如何在潮水般的氦原子的冲击下飞旋、碰撞、黏合，然后被带到成簇区去形成……可是形成什么东西呢？

斯莫利对AP2能够形成的固态微粒的结构曾进行过深入的思考。他与柯尔和蒂特尔合作的一个基本目的，就是通过研究微观碎片的行为更深入地了解半导体材料的性质。这项工作中的一个中心话题是如何系紧“悬键”。

像所有的微观碎片一样，网状石墨碎片具有自己的边缘。边缘上的碳原子由于周围没有其他碳原子可与之成键，故含有一些未成键的电子。这些“松开”的电子具有化学活性，被称为“悬键”。

石墨由正六边形结构碳原子平面组成，这些平面的边缘也存在着悬键，这使它具有化学活性而变得不太稳定。在大块石墨中，这些悬键往往通过与氢原子成键而稳定下来。与此类似，四面体结构的金刚石，其边缘也有悬键，它们也可以与氢原子成键。但是，在AP2的成簇区，并不存在可与团簇的悬键成键的氢气或其他活泼气体，除非你故意把它们加进去。团簇的这些悬键将成为化学反应攻击的首选目标。经验表明，那些稳定的分子结构一般都没有悬键。

要让这些悬键全都系紧起来，唯一明显的办法是形成某种封闭的结构，比如形成一个封闭的碳原子环。聚炔烃链会不会首尾相连地弯成一个圈，让一端的悬键与另一端的悬键系紧呢？正如罗尔芬、考克斯和卡尔多曾指出的那样，—C≡C—基至少可以解释第二个分布中为什么只有偶数原子团簇。

实验在傍晚时分重新启动。这次研究人员使用的载流气体不是氦而是纯氢。他们想看看能不能生成含氢的团簇。要想达到合适的成簇条件，用什么载流气体都无所谓。他们所以使用具有化学活性的纯氢，是想看看能不能像埃克森小组用钾原子所做的那样，在长碳链的两头接上2个氢原子。结果他们发现，那些较大的偶数原子团簇的信号变得更突出了，但他们同时也看到了结构可能为H（C≡C） _n H的长链分子，其中 n 为6—20。这至少证明，在我们想象中的富碳红巨星的外层大气中，确实有可能形成某些聚炔烃。

有待核查的事情还很多，他们必须确保观测的结果能真实地反映仪器内部发生的化学过程。对于像AP2这样复杂的大型机器，其输出结果与分子本身行为的关系是十分间接的，甚至看起来风马牛不相及，在这种情况下，研究人员很容易被一些假象所愚弄，认为已经看到了所要观测的东西。他们核查了改变偏转板的电压的效果，这一电压控制着飞行时间质谱仪中离子飞越的时间。然后他们核查了电离信号与Nd：YAG激光器和激基分子激光器功率的关系，以及改变激基分子激光器工作波长的效果。接着，他们又核查了改变这两台激光器点燃时间间隔的效果。另外，他们还核查了改变Nd：YAG激光器点燃与载流气体阀门打开之间的时间间隔的效果。

这些实验得到的质谱表明，偶数原子团簇基本上不受影响，这说明它们与氢原子反应的活性远不如那些较小的团簇。这不难理解，因为在那些较大的原子团簇中，悬键可能已经以某种方式系紧了。尽管C ₆₀ 的信号仍然看不出有什么特别的地方，但在前一天的实验中，克罗托和希思已经注意到了它的异常行为。希思决定在AP2工作日志上作点说明。

在所有这一切进行之际，斯莫利和柯尔正忙着其他事情。他们都有许多其他职责，而且还有许多其他项目和学生要他们管。克罗托常常和柯尔一起回家吃午饭。每隔一段时间，斯莫利和柯尔就会来实验室瞧瞧实验的进展。大多数的组内讨论都在斯莫利的办公室里进行。如果方便，克罗托会把几轮实验下来的计算机输出结果收集起来，复制几份，订成备忘录。这将是小组讨论的焦点。

斯莫利对这些工作还是兴味索然，尽管大团簇的行为让他颇为着迷。柯尔则有点失望，因为克罗托似乎更热衷于用AP2制备聚炔烃和氰基聚炔烃，而柯尔希望用共振加强双光子电离技术测量纯碳原子团簇的吸收谱，看看与星际漫射带是否对应。而克罗托觉得，光谱测量是第二位的，而且双光子电离实验也没那么容易做，他们应该首先处理那些比较简单的实验。说到底，他觉得道格拉斯1977年提出的设想还有漏洞，它并不是那么诱人。

在工作的过程中，克罗托渐渐认识了斯莫利的学生。他们在实验室里同甘共苦，有时一直加班到深夜。克罗托发现，希思也十分喜爱读书和藏书，他手上有数量可观的吉卜林（Rudyard Kipling）的首版著作。如果实验允许，希思和克罗托常溜出实验室去“村子”里逛书店。说是村子，其实这里是离赖斯校园不远的一片小型商业区，四周分别是布尔瓦大学、科比路、莫宁赛德和坦格拉伊。

希思还是一名出色的乐手，会弹吉他、钢琴和一些其他乐器。克罗托在学生时代吉他也弹得不错，他偶尔还能在各种乡间俱乐部里露一手。但克罗托主要的业余爱好始终是平面造型艺术，实际上，如果在兰开夏郡上学时能在图形、设计或建筑方面受点专业指点的话，年轻的克罗托就不会成为一名科学家了。

克罗托与奥布赖恩也建立了深厚的友谊，他们有一个共同爱好：宗教争论。奥布赖恩是虔诚的天主教徒，克罗托则是坚定的无神论者。他们常常一连几个小时沉浸在激烈的神学争论中，其乐趣一点也不亚于搞科研的时候。在漫长的实验室工作结束之后（有时要持续到凌晨两三点钟），克罗托、希思和奥布赖恩常一起去科比路上一家叫作“馅饼之家”的小店吃夜宵，这里24小时供应馅饼和咖啡。他们在这里谈天说地，内容涉及艺术、书籍、音乐、科学、宗教，咖啡一杯接着一杯，似乎永远没个完。

这种让人精疲力竭的紧张日程对三位科学家来说并不陌生。要让这么精密的激光实验成功地实施，你必须对那些复杂的（而且常常喜怒无常的）设备全身心地投入。尽管激光器由厂商提供，但它仍不时需要护理。各种抽气泵、阀门、采集数据的电子仪器，以及计算机都有可能出现莫名其妙的故障，而且一旦发生这些故障，实验就得暂停。就算实验进行得一切正常——激光脉冲特征正确，点燃适时，阀门正确开启，真空条件良好，电子仪器和计算机工作正常，你也不能仅仅因为还没吃饭就擅自离开。

星期二，刘元花了一整天时间修改计算机程序里的一些错误。实验在星期三下午5点多重新开始。这回载流气体用的是氮气，他们想看看能不能得到两头带2个氮原子的碳原子链。实验没有给出他们希望的结果。但是，当他们在6点多钟重新用氦气做实验时，竟获得了一个十分惊人的结果：质谱上现在几乎只剩下了C ₆₀ 和C ₇₀ 的信号。在埃克森小组的质谱上，C ₆₀ 和C ₇₀ 信号在背景上只是稍稍冒个头。他们前几天看到的质谱也基本如此，尽管C ₆₀ 的信号有点怪。而在克罗托、希思、奥布赖恩、刘元和张清玲眼前的这张质谱上，C ₆₀ 的信号至少比C ₆₂ 的信号强30倍（C ₆₀ 的信号仍然是溢出的），C ₇₀ 的信号也很显著。在AP2工作日志上，刘元写道：“C ₆₀ 和C ₇₀ 非常强。”这个结果太让人吃惊了，他们当即重新测量了一遍。其实，AP2在几天前就显示过这类结果了，只是科学家们现在才如梦初醒，注意到它的存在。

克罗托把这张谱与那天得到的其他质谱订在一起。次日一早，他在小组会议上与柯尔和斯莫利讨论了这一结果。在他自己的那份质谱上，他在左上角标上了实验的日期、条件（“He/C _n 重复”）以及观测结果“C ₆₀ 巨大”、“C ₇₀ 也很大”。在C ₆₀ 强峰旁边，他画了一个箭头，写道“ ？”，究竟发生了什么呢？

这个古怪行为激起了一场生动的讨论。现在斯莫利对克罗托真是亦步亦趋。克罗托喜欢把这些团簇叫作碳原子“卷”（wadge），这已经成了他的习惯，斯莫利似乎也染上了这个毛病，开始把C ₆₀ 叫作“卷母”（mother wadge）。而它在质谱中所占据的至高无上的地位让克罗托又起了另一个名字“卷王”（Tod wadge）。类似的交流还有不少，其中某些灵感还要感谢皮东（Monty Python）飞行马戏表演特有的幽默，他们的节目在美国公共电视网上没完没了地重复，克罗托从中获得了莫大的乐趣。但是，C ₆₀ 并不是独来独往。尽管C ₆₀ 的行踪飘忽不定，不可预测，但是那个比它小得多的小兄弟C ₇₀ 时时追随着它，十分忠诚。出于对孤星州民间传说的敬意，克罗托把C ₆₀ 叫作“孤胆骑侠”（Lone Ranger），而C ₇₀ 就是他忠实的伙伴唐托（Tonto），这么叫倒也挺贴切。

科学家们又一次聚在斯莫利办公室的咖啡桌旁，为寻找一个可能的解释而绞尽脑汁。很显然，C ₆₀ 信号所以显著，肯定是因为它比AP2中形成的其他团簇稳定。他们再次为气化激光脉冲造成的混乱世界拼凑图像。那些随机产生的原子和网状石墨碎片究竟是怎么结合成刚好60个原子的稳定团簇的呢？为什么恰好是60？这个问题是否与氰基聚炔烃有关现在已经无足轻重了。大自然给他们设了一道谜，科学家决心找到谜底。

线索或许就在C ₆₀ 本身的稳定性中，它好像一经形成就具备了抵制外界物理或者化学因素侵扰的能力。在AP2中，它或许正是以牺牲其他团簇的代价幸存下来的。如果是这样，它一定具有非同寻常的结构。

克罗托猜测，这样一个60个原子的稳定团簇会不会是由4块网状石墨碎片一层层叠起来的。在这个三明治状的结构中，中间2层碳原子平面由7个六边形组成，各含24个原子。它的顶层和底层各有1个六边形：整个结构正好60个原子，总的来说呈球形。在这个结构中，每一层的边缘仍然有悬键，这还是个问题，但克罗托猜测，如果层与层之间靠得比较近，这些悬键的化学活性或许会大打折扣。

这个想法确实很精辟，但大家都觉得没有悬键的结构才最稳定，如果真能找着这样的结构的话。当然，闭合的环就是这样一种结构，但他们想不通，一个60个原子的环为什么会比大于它和小于它的“堂兄堂弟们”都稳定，这无论如何也说不过去。

按照同一思路，他们猜测是否可以把一块网状石墨碎片弯过来，让边缘上的悬键一一键合，形成一个闭合的笼子——或许是一个球——一个完全由六边形面构成的封闭结构。这可能吗？这有点像离经叛道的发明家和建筑师巴克明斯特·富勒（Richard Buckminster Fuller）设计的“网格球顶”，这种设计在20世纪50年代和60年代曾风行一时。

克罗托还清楚地记得，1967年在蒙特利尔举行的世界博览会上，他曾在一座这样的建筑中来回溜达。这座建筑是当时的美国展馆，它的外形看上去像一个四分之三球面，它是当时最大的富勒式球顶。那时，克罗托还是一名博士后，即将结束在加拿大和美国为期3年的研究返回英国，去苏塞克斯大学担任讲师。他记得当时他一面推着童车中的儿子斯蒂芬（Stephen），一面在这个大球顶里面来来回回地参观展品。据他回忆，这个球顶完全由六边形构成，就像石墨网状结构中的六边形一样。C ₆₀ 会不会也是一个网格球呢？

可惜的是，这些科学家谁也不熟悉富勒网格球顶的设计原理，没人有把握说出那些六边形是怎么拼在一起的。但是，克罗托想起他曾经给他的孩子们做过一个网格球顶“星穹”模型。它其实是一张球形的夜空图，是用买来的一个硬纸板盒做成的。他觉得这个多面体上不光有六边形面，还有五边形面，但是不知道它是不是刚好有60个顶点。这个模型一直没扔，好像塞在一个旧的复印机箱子里。

他们还是拿不定主意，但是不对网格球面的基本属性有进一步了解，要想得出有价值的结论谈何容易。他们决定把实验继续下去，但时刻留意C ₆₀ 的行为，以期发现进一步的线索。

现在，一旦看到C ₆₀ 的信号特别强，AP2工作日志上就会多上一条特殊的记录。他们先用氮气做了实验，这回他们发现较小的团簇确实可以形成含氮的碳原子链。质谱明白无误地证明了像C ₂₀ N ₂ 这样的团簇的存在。他们认为这些团簇的一般结构为N≡C—（C≡C） _n —C≡N。

克罗托终于为自己找到了答案。4年前克罗托在皇家化学会法拉第部的报告中提出的设想，在斯莫利的团簇发生器上仅仅花了4天功夫就得到了证实。在适当的条件下，碳原子链确实可以与氢和氮结合，形成H—（C≡C） _n —H分子和N≡C—（C≡C） _n —C≡N分子，这离氰基聚炔烃H—（C≡C） _n —C≡N只有一步之遥。这些实验表明，70年代末到80年代初在星际空间中发现的长链氰基聚炔烃，可能正是来源于IRC+10°216这样的寒冷的富碳恒星。如果克罗托能制备出这些分子，并且设法测出它们的微波谱，他就可以在太空中寻找它们的踪迹了，或许他还可以扩大星际分子家族的阵容呢！看来，尽管C ₆₀ 的奇异行为曾让他兴奋不已，克罗托对他的HC ₃₃ N之梦还是不能割舍。

氮气实验结束后，他们在星期五上午又用氧气做了实验，目的在于看看能不能形成通式为C _n O的团簇。在飞行时间质谱上，除了C ₆₀ 附近的一个信号他们觉得是C ₆₀ O之外，别无其他含氧团簇的信号。

在星期五下午的小组会议上，他们讨论了下一步的研究计划。看来，较短的碳链与氢和氮的反应前景十分光明，甚至有可能再稍稍使把力气就可以告一段落了。克罗托也已经达到了他来休斯敦的目的。但他们一致认为，C ₆₀ 的惊人行为似乎还预示着别的希望，它与克罗托原先的实验目的毫无关系。C ₆₀ 的古怪行为值得进一步追究。他们再次讨论了三明治结构、环状结构以及网格球顶。斯莫利建议克罗托去学校图书馆查阅有关富勒的书，看看能不能找到更多关于球顶的内容。但这是办不到的，作为一名临时访问者，克罗托没有借书卡。

克罗托打算下个星期二回英国，柯尔提议周末加个班，看看C ₆₀ 究竟有多特殊。希思和奥布赖恩都答应加班，而克罗托已决定去达拉斯度周末——去逛美术馆、书店，尤其是看看有没有半价书。他在那天深夜离开了休斯敦。 MIuvI+4xnRCjnp6Zf13qEjllO5TJNrgyOyu/f9frHWqnXO8DMUvSxwJ+AIYmscQr