现代化学与建筑学类似，它涉及各种结构，这些结构受自然力约束，并取决于其可能的用途，描绘新分子的蓝图，不仅为化学家提供新的见解，而且前景无限诱人。

自然界永远使人们惊叹不已，具有各种奇妙性质和结构的分子随时会在实验室中出现：不是准晶体，就是在绝对零度以上120度显示超导性的有机铁磁体。

在如此多彩的世界面前，原来用纸、黑板和计算机工作的理论化学家和物理学家，应该怎样对发生着的一切提供系统的解释呢？一种可能，是按照化学键合与分子中电子运动的方式来理解这些不寻常的结构和性质。量子化学和固体物理的现代理论可提供基本的框架，许多理论工作者正在按此搜寻合意的高温超导体。

理论工作者还可以走另一条路。那就是利用我们来之不易的对化学键的部分理解，设计一些新的、迄今还未合成出来的分子结构，这样做有两个优点，第一，推理较之进行实验，有一个特殊优越性，那就是对不存在的、可能极难合成的分子，可以跟对已经存在的分子那样，就其性能进行预测。那么我们为什么不去设计未知的新分子呢？这正是化学“份内”的事，我们或许可提供室温下工作的超导体，或一些具有某些特异、有用性能的特异材料。

第二，预言一种新的结构，意味着理论工作者不再从属于实验工作者，无过于稍微过度的预言带来的振奋。这种预言会成为实验工作者进击的目标，所谓“稍微过度”，是一个重要的条件，目标结构应该是一个争取博士的研究生在通常指定的一年左右的时间内可以达到的，人力和资源均无法解决的，才是真正过度的预言。

不妨举一个例子，说明由理论推断，并设想欲待合成的一些振奋人心的新化合物是多么容易。人们可以由与含碳分子结合的金属原子合成出许多有意义的结构。这些化合物称为金属有机化合物，它涉及现代理论化学和合成化学的内容丰富、值得研究的一个领域。其中有些化合物，其电子结构赋予了它们颇有意义的电学性质、光学性质或磁性，因此无论是理论工作者还是实验工作者，都喜欢跟它们打交道。

从米兰的P. 切米（Paolo Chimi）研究小组和麦迪逊威斯康辛大学的L. 旦尔（Larry Dahl）的论文中，我们得知有一系列的以与一氧化碳结合着的铂或镍三角形为基础的结构单元装配起来的个别分子，pt₃(CO)₆这些结构单元以两个、三个、四个、甚成五个这样的三角形逐层叠起来形成分子，接着日本和瑞士的研究小组把1~2汞原子嵌入这些三角形中，得到真正有金属性质的夹层结构。

不需要特殊的才智，就可想象出由pt₃(CO)₆的三角形底板与汞原子交替组成的无限长链，这正是我们研究小组里的博士后助手D. 温得沃德（Dennis Und-erwood）和我所设想过的。

实际上，其他一些人也有过这种多层无机结构的想法。1983年我去日本讲学时，受到了当代主要的金属有机化学家之一的Ahira Nakamura日本传统的殷勤款待。他的岳母Yoshiko Asao，是一个能在绸缎上绘画的日本古老工艺的能手，她想给我做一条领带，她向其女婿征求一个适当的图案，女婿就向其出示了由另一位日本化学家合成的分子图样。结果，她给我的领带上的图样正是温得沃德和我自认为聪明地设想出来的、无限长的聚合物，我们把它称为Asao聚合物，但迄今还没有人合成出这种聚合物。

我的另外两位同事，科内尔大学的F. 迪沙伏（Frank Disalvo）和M. 鲍汀（Michael Badding）近日合成了与铂 - 汞化合物有些类似的，由钽、碲和硅组成的物质——Ta₄Te₄Si。它是黑色针状晶体。固相中有好看的一维链，它是由钽和碲的方形单元（不是铂三角形），夹入硅原子（不是汞原子）构成。

这种引人注目的结构单元没有什么有意义的电学性质。尽管实验工作者总是寄予希望，但并不是每一件看上去吸引人的东西都是高级的。我们曾想过：“如果用金属取代硅，或许会使这种分子活泼一点儿……”。当时这种想法并非什么独创，显然这种分子的合成者也有过这种想法，但是用哪一种金属取代硅呢？这里量子力学帮了我们的忙——尽管量子力学不太适用于此等大小的分子，最终，我们断定铁或锰将会形成更强的键，满足电子的要求。事实上，朋友们已经合成出一些这样的物质，并正在研究它们的性质。

如今设计纯碳的新形态或新的同位素，是一个更大的课题。如金刚石、石墨，是人们熟知的碳的同位素。它们虽然都是由碳组成，但其原子排列不同。在金刚石中，每个碳原子整齐地与另四个碳原子相连，以高度对称的网状结构遍及整个空间。这种有序排列使得碳十分坚固。而在石墨中，每个碳原子与另三个碳原子相互连接成蜂窝片状，片与片之间很易相对滑动，使得石墨成为一种很好的润滑剂。由于在这两种物质中电子运动的方式不同，因此金刚石透光而具有绝缘性，石墨则呈黑色而具有弱导电性。人们几乎难以想象：两种同是碳组成的物质，性质却截然不同，这说明了化学的一个重要特性——决定着性质的，主要不是组成分子的原子种类，而是分子中原子结合的方式。

黑色、滑溜、非常便宜的石墨，会比透明、坚硬、贵重的金刚石更稳定，岂不微妙？由于金刚石的坚牢为众所周知，如果作一次民意测验的话，大家一定都会认为金刚石更为稳定。这两种同位素都能燃烧放出二氧化碳，而较不稳定的金刚石产生更明亮的火焰，放出略多的热量。所以金刚石并非万世长存之物；如待以足够时日，它们将自发转变为石墨。

碳还有否其他同位素呢？有两三种金刚石或石墨的变种存在，它们逐层堆积各自稍有不同。但迄今为止，还未发现有碳的任何其他同位素。

我们给自己提出了设计一种新形态碳的任务，看来大有希望。但首先要提一下关于设想合成碳的同位素的其他方面的理由。

近年来，碳原子簇化学得到了蓬勃的发展，化学家早就知道碳的长链—C₂、C₃、C₄、C₅直至C₁₀一一正如碳弧光谱和近来哈雷彗星苏联探测器所得的彗尾所显示的那样。较新的是中等大小的10至100个碳的原子簇，其中足球形的C₆₀，尤为引人注目，它是R. 施玛利（Rich Smalley）和H. 克罗托（Harry Kroto）发现的，且近来已有人大量合成了C₆₀。

继苏联的新发现以后，日本和美国的科学家相继通过甲烷放电，在硅或金刚石表面观察到有微綑的金刚石颗粒长出。有时这些金刚石有缺陷，含有不少氢。日本已在制造有金刚石涂层的扬声器，以利用金刚石在导热方面优异的性能。

在别处，科学工作者一直想做到物尽其用。氙或氧等可穿透的气体，在高压下可制成固体，且能够导电。在实验室里可以比较容易地取得1百万至2百万大气压的压力。正如许多理论工作者所预言的，实际上近年许多研究小组都宣布，在这种高压下，已经把分子态的氢气（H₂）转变为金属。近来，我的同事A. 鲁澳夫（Arthur Ruoff）及其研究小组在实验室已获得了很高的压力，比确信存在于地球中心的压力还要高。

在这样高的压力下，碳将如何呢？我们知道，天然金刚石是在地球内部的高压下形成的，在压力作用下，碳同位素的相对稳定性会发生变化。例如，金刚石在高压下更为密实，因此变得比石墨更稳定。试想有没有比金刚石更密实的某种形态的碳呢？

当我们对这种假想形态的碳中的电子运动进行预测时，有两点出乎我们的意料。第一，此种物质可能比金刚石或石墨要不稳定得多，第二，真使我们感到震惊，它竟然可能是金属性的物质，它不像石墨那样，而是真正的电的良导体。这岂不是很有意思吗？

一种新的金属碳

我们假想的金属碳不如碳的其他同位素稳定，并没有吓退我们，正如日常生活中点燃煤气灯时甲烷或天然气所显示的那样，一切有机分子在有氧存在时均不稳定，但如果没有火种，这种不稳定物质将在很长时间内不发生变化。可以给有机化学（或人体）下一个有趣的定义——原子不稳定结构的局部合并和持续（一段时间）。

因此，我们认为，一旦合成了可能蓬勃发展的碳同位素，它就会存在一段时间。把它变成金刚石和石墨所需的原子运动十分强烈，不管等待着它们的热力学归宿是如何合意，照理总是竭力使碳原子发生重排。就像一本书，除非搁在书架上，否则就会往下掉，搁在书架上的书，要想挤穿书架的硬木，并不像它“愿意”的那么容易。

正如我们对碳同位素所了解的那样，设想其具有对称结构将十分有趣。在无机化学（通常不含碳的分子）中，八面体和四面体是两种常见的结构单元。这些单元以各种方式共用点、边和面堆砌起来，并扩展到整个空间，从而形成令人眼花缭乱、形状复杂的众多矿物结构。

但四面体存在一个客观问题——在几何学上，完整的四面体不可能填满整个三维空间。要想填满，就会导致破坏——空间不是填得很满，依然留有微小的裂隙和角落，曾一度和我一起在科内尔大学学习化学的哈佛大学的物理学家台维 · 奈尔逊（David Nelson），是这种“被破坏”的四面体结构的专家。他提供了一种优美的结构，从而引起了C. 正（Chong Zheng）和我的注意。

我们看到的是共面的四面体的一维链。换句话说，它是一个略有扭曲的三线螺旋。目前，在其他各种各样结构的无机分子领域里，共面的四面体结构极为稀少。只有各别的两个或三个四面体共面的分子。四面体可以是空的，就像剑桥的B. 约翰逊（Brian Johnson）及其同事们合成的、由一氧化碳单元覆盖着的锇原子簇那样，四面体也可为金属原子所充满，就像柏林的H. 哈特（Hans Hart）等人合成的一些碘化铜那样。但最多只有三个四面体；迄今还没有人合成出四个以上四面体共面组成的链。

其原因可能在于：如果四面体以金属为中心或由金属充满，则过去流行的纯粹几何学可以证明，相邻四面体的金属原子靠得太近。

这样的螺旋可能稳定吗？单是研究结构本身，得不到什么启发，这里理论应该能起到作用。根据近来发表的一系列量子化学的推测，我们可以提出使这种螺旋结构非常稳定所需条件的要点。以碘和钨原子为中心的四面体，或由一氧化碳绕螺旋芯作放射性分布的铂的空四面体组成的螺旋结构已可实现。我正是从铂与一氧化碳组成的链开始作这一假想领域的漫游的。

这种螺旋结构具有一种不寻常的几何特性，使得它与某些生物学方面重要的螺旋体，以及一些准晶体相联系。后者就是近来合成的一种不规则重复的、紧密型排列的、五重对称的分子结构。我们的螺旋如果是由完整的四面体组成，则其曲折是“不合理”的。这就是说，如果沿着螺旋的轴往下看，组成螺旋的单个四面体的顶点，决不会恰好逐个排成一直线。它只是螺旋对称，但不是沿螺旋线的重复对称。

如上所述，很多分子结构几乎总是可以实现的。如果艺术家、数学家和建筑师能设计并堆砌出四面体螺旋，那么合成化学家将始终是他们的坚强后盾。

[New Scientist，1990年11月17日]

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* 为纽约康奈尔大学理论化学家。1981年荣获诺贝尔化学奖。