【正文】 看到了它的價(jià)值。 1990年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了在這種細(xì)管上鍍金或鍍銅的技術(shù)。鍍金或銅后，這種管子可用于光電技術(shù)、微形手術(shù)和制作藥物導(dǎo)彈等。這種把生物工程用于微結(jié)構(gòu)加工與醫(yī)療技術(shù)的大膽嘗試，不僅表明生物膜研究在生命科學(xué)實(shí)用性方面的巨大潛力，也進(jìn)一步促使理論界躋入破譯生物膜自動(dòng)卷曲與螺旋結(jié)構(gòu)奧秘的競(jìng)爭(zhēng)行列。 1987年，德燃納曾把生物膜的卷曲力歸結(jié)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卷曲歸結(jié)為膜邊緣處的撓曲彈性，并把線彈性密度寫為Fr=krsin?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(tài)，還說(shuō)明泡解體后所形成的扭曲螺帶形態(tài)。90年代，歐陽(yáng)仲燦與劉寄星從液晶本質(zhì)出發(fā)，從頭計(jì)算了螺旋膜結(jié)構(gòu)。他們認(rèn)為，手征生物膜在溫度降低時(shí)，分子發(fā)生傾斜。由于分子具有手征性，傾斜取向不平行，而形成螺旋狀排列。他們把OseenFrank液晶自由能項(xiàng)對(duì)體積積分，得到手征膜自由彈性能的表述式。其中一項(xiàng)就是與線場(chǎng)測(cè)地?fù)下氏嚓P(guān)的能量項(xiàng)，它恰與分子的傾斜與手征性相關(guān)。他們由膜與線場(chǎng)能量的變分得到了曲面與線場(chǎng)的平衡方程，從方程的解恰好得到了膜從泡形到扭曲帶，再?gòu)呐で鷰ё兓街温輲У淖兓^(guò)程，不僅與實(shí)驗(yàn)的觀察相符合，而且得到了螺管的半徑與螺矩同為一個(gè)數(shù)量級(jí)，～10μm。他們的工作不僅使觀察到的現(xiàn)象與觀測(cè)到的數(shù)據(jù)有了完全清晰的理論根據(jù)，而且極大地推動(dòng)了手征生物膜的理論研究。液晶生物膜理論是70年代才發(fā)展起來(lái)的一門新興邊緣學(xué)科。在短短的20多年的時(shí)間里，中國(guó)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(dǎo)出、紅血球精確解的得出，環(huán)形膜泡的發(fā)現(xiàn)和手征生物膜理論的建立等均出自中國(guó)學(xué)者之手。在這一前沿領(lǐng)域中，中國(guó)物理工作者不僅占有一席之地，而且已經(jīng)有著重要的影響①。 （四）有機(jī)分子C60研究 1．從星際物質(zhì)研究到C60的發(fā)現(xiàn) 長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為石墨和金剛石是僅有的兩種碳的同素異構(gòu)體，1985年9月C60的發(fā)現(xiàn)不僅沖破了這一觀念，而且隨著對(duì)C60的研究導(dǎo)致一系列新實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)的開(kāi)發(fā)，更進(jìn)一步豐富了人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。 1984年，羅爾文（）用530nm的高功率激光短脈沖轟擊石墨，使石墨蒸發(fā)以獲得微團(tuán)。他發(fā)現(xiàn)在C+n中，除了在n＜30中，出現(xiàn)幻數(shù)1119以外，在n＞30中，還存在n=60、70的幻數(shù)。1985年，英國(guó)布賴頓的蘇塞克斯大學(xué)波譜學(xué)家克羅托（）和美國(guó)休斯頓大學(xué)化學(xué)家斯莫利及其研究生吉姆希斯等人一起，進(jìn)行了碳的激光蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。他們用大功率激光轟擊石墨表面，并用氦氣流將碳碎片構(gòu)成的等離子體吸入帶有噴嘴的集結(jié)區(qū)。在集結(jié)區(qū)碎片熱碰撞形成新的碳分子。經(jīng)質(zhì)譜觀察發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生了豐度約40倍于其它臨近信號(hào)的C60分子，同時(shí)還找到了C70分子的質(zhì)譜信號(hào)。這一實(shí)驗(yàn)給出了存在穩(wěn)定C60的有力證據(jù)。由于原子簇中“60”這數(shù)很大，又由于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果異常穩(wěn)定，他們認(rèn)為C60不應(yīng)存在懸鍵。受到美國(guó)著名建筑師巴克明斯特富勒設(shè)計(jì)成功的圓頂建筑①的啟發(fā)，他們把C60分子設(shè)想為具有12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊球組成的32面體結(jié)構(gòu)，它近似為球形，恰有60個(gè)頂角，60個(gè)碳原子各占一角，它們均處于彼此等價(jià)的位置。每一個(gè)六角環(huán)類似一個(gè)苯環(huán)。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(gòu)架的內(nèi)外，圍繞著電子云。顯然這是一個(gè)單純由碳元素結(jié)合成的大穩(wěn)定分子，屬于具有大共軛雙鍵的芳香族。由于這一結(jié)構(gòu)受到富勒的短線穹窿建筑所啟發(fā)，遂命名為巴克明斯托富勒烯烴，簡(jiǎn)稱富勒烯（Fullerene），又因C60分子的多面結(jié)構(gòu)與足球酷似，又稱為“巴基球”（Buckyball）或“足球烯”?？肆_托等人的這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義。在他們所發(fā)表的論文①中，曾預(yù)言由于C60猶如一個(gè)小的微型鋼球（），可能成為超級(jí)潤(rùn)滑劑。此外，天文學(xué)家不久前觀測(cè)到某些紫外吸收帶的根源可能來(lái)自星際空間的C60。他們甚至根據(jù)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(xiàn)以前，正是C60的催化作用才產(chǎn)生了多種有機(jī)分子。 重 要的是對(duì)C60結(jié)構(gòu)的確認(rèn)，這不僅需要有足夠的樣品，還需要一系列測(cè)試手段與技術(shù)的開(kāi)發(fā)，諸如質(zhì)譜碳13核磁共振儀、傅立葉紅外、紫外及可見(jiàn)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(dāng)時(shí)用X射線對(duì)C60進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)在100K低溫下，C60分子晶體仍存在各向同性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使高分辨的X射線晶體結(jié)構(gòu)分析無(wú)法進(jìn)行，唯一的方法是破壞C60的高度對(duì)稱性。1990年末，霍金斯(）等人成功地制備出C60的四氧化鋨加成物。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每個(gè)碳原子離“球心”(3)1010m，(9)10 10m，(5)1010m。利用掃描隧道望遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)想完全被實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。 C60屬于芳香族，它的每一個(gè)六角環(huán)都類似一個(gè)苯環(huán)，這一點(diǎn)使人們憶起苯結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。苯結(jié)構(gòu)曾是有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域一度長(zhǎng)期困擾人們的疑難問(wèn)題之一。1925 年，著名物理學(xué)家法拉第從當(dāng)時(shí)用作照明的氣體中分離出苯。自苯問(wèn)世起，它就給人們帶來(lái)一系列不解的疑團(tuán)。例如，為什么這樣一種高度不飽和的烴卻如此穩(wěn)定。一般不飽和烴容易進(jìn)行加成反應(yīng)，而苯的取代反應(yīng)倒比加成反應(yīng)更容易。這一奇異的性質(zhì)的關(guān)鍵在于它異乎尋常的結(jié)構(gòu)。德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒（Kekule Von Stradonitz，F(xiàn)riedrichAugust 1829～1896）解決了這一難題。凱庫(kù)勒早年曾對(duì)建筑感興趣，加上苯問(wèn)題長(zhǎng)期索繞，生出靈感，使他在1865年乘車打盹的時(shí)候，看到許多原子在跳輪舞。它們排列起來(lái)，像蛇吞下自己的尾巴一樣，首尾連接成一個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)著的圓圈。據(jù)他講述，這個(gè)夢(mèng)使他得到了開(kāi)創(chuàng)性的結(jié)論，苯的六個(gè)碳原子形成一個(gè)環(huán)。并且他一開(kāi)始就指出苯具有正六邊形對(duì)稱特性。然而為保持碳的4價(jià)性，必須假定，苯環(huán)中應(yīng)間隔地出現(xiàn)三個(gè)雙鍵。這樣將有兩種凱庫(kù)勒構(gòu)式。無(wú)論哪一種都與CC鍵等長(zhǎng)的事實(shí)及正六邊形對(duì)稱性設(shè)想矛盾。顯然凱庫(kù)勒環(huán)狀平面結(jié)構(gòu)這一光輝思想解決了舊問(wèn)題，新的矛盾相繼出現(xiàn)。 1931年，德國(guó)物理學(xué)家哈克爾（）利用他的簡(jiǎn)化設(shè)想，對(duì)上述問(wèn)題做了解釋。他以薛定諤方程為基礎(chǔ)，給出了哈克爾方程。解這個(gè)方程求出本征值和本征解，解決了平面結(jié)構(gòu)的共軛分子π電子軌道和能量，表明苯中基態(tài)碳電子云呈雙面包圍狀分布。由此證明，苯中基態(tài)電子云分布并不是凱庫(kù)勒結(jié)構(gòu)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(zhǎng)與正六邊形對(duì)稱性的矛盾。此外，這種環(huán)狀分布，沒(méi)有重疊于分子平面的節(jié)面，波長(zhǎng)必然較長(zhǎng)，減小了能量，這就是苯環(huán)比較穩(wěn)定，不易進(jìn)行加成反應(yīng)的原因。可惜的是，苯的奇異環(huán)狀結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定性以及六邊形對(duì)稱結(jié)構(gòu)當(dāng)時(shí)沒(méi)有引起人們的足夠重視，也很少有人繼續(xù)思考，如果6個(gè)碳能如此巧妙地首尾連接成一個(gè)高度對(duì)稱的平面環(huán)，能否有更多的碳連接成高度對(duì)稱的立體結(jié)構(gòu)。如果能較早地從苯結(jié)構(gòu)及其奇異性質(zhì)中受到啟發(fā)，C60的發(fā)現(xiàn)，將有可能更提早幾十年。 隨著研究的深化，很快地發(fā)現(xiàn)了C60的實(shí)用價(jià)值。首先，理論和實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，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(jié)構(gòu)。 C60固體又是一種類似GaAs那樣的直接能隙半導(dǎo)體。由于C60分子在格點(diǎn)上做無(wú)序轉(zhuǎn)動(dòng)，使C60固體在某些方面又與非晶態(tài)類似，因此，C60成為繼硅、鎵和鎵砷之后的新型半導(dǎo)體材料。此外，還可以在C60球與球間或球籠內(nèi)摻雜，這些均不僅為微電子技術(shù)開(kāi)辟了新的天地，也同時(shí)發(fā)現(xiàn)了它們?cè)诔瑢?dǎo)電技術(shù)方面的應(yīng)用。1991年3月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)導(dǎo)了他們?cè)谶@方面的新發(fā)現(xiàn)①。他們?cè)诠虘B(tài)C60中摻入堿金屬K，得到了K3C60，其超導(dǎo)臨界溫度為 18K。以后世界各地相繼完成C60的Rb、Rb、Cs、Cs的摻雜，超導(dǎo)臨界溫度高達(dá)30K，已經(jīng)高于超導(dǎo)合金的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，并超過(guò)了以前的任何一種有機(jī)超導(dǎo)體。后來(lái)，又有人用Ti部分地替代Rb摻入C60，使臨界溫度達(dá)到48K。這表明，這類超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)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(dǎo)體，它的臨界電流、臨界磁場(chǎng)及相干長(zhǎng)度都較大，易于加工成型，因此作為實(shí)用化超導(dǎo)材料有著巨大的潛力。