碳原子能組成許多令人驚豔的奈米結構,從巴克明斯特富勒烯(C60)、奈米碳管到石墨烯都是如此,其中C60之所以被稱為「巴克明斯特富勒烯」,正是因為它的外形酷似建築師巴克明斯特・富勒(Buckminster Fuller)所設計的網格穹頂。受此啟發,科學家一直想找出由其他元素組成的類似結構,而硼因擁有強健的硼-硼鍵而備受期待。科學家在B40團簇中找到了富勒烯籠狀構型,但當原子數增加到60個時,硼團簇仍無法像C60那樣形成足球狀的籠子。2007年,理論學者提出了一個構想:若在B60足球狀骨架的20個六邊形中心各鑲入一個硼原子,多出的60個價電子應能彌補硼的電子缺陷,形成穩定的B80「巴克球」。可惜,後續多項由不同團隊進行的密度泛函理論(DFT)計算都顯示,B80巴克球的能量遠高於其他低對稱性結構,其真實存在性因此一直懸而未決,再加上大型硼團簇的光電子光譜通常複雜難辨,使驗證工作更加困難。
近日,美國布朗大學與中國清華大學共同組成的研究團隊,利用雷射蒸發超音速團簇源(laser vaporization supersonic cluster source),並以摻入20%氬氣的氦氣提升冷卻效果,結果意外量測到B80陰離子的光電子光譜。該光譜呈現三個的譜帶,這在大型硼團簇中極為罕見,反而與C60負離子的光譜相似,暗示B80具有高對稱性與0.8 eV的能隙。先前的理論計算雖然找到許多能量更低的結構,但比對各候選結構的模擬光譜後,發現只有巴克球的模擬結果能重現實驗中的三個譜帶,並證實B80陰離子正是巴克球結構,這顯示先前的DFT實驗低估了它的穩定性。化學鍵分析顯示,B80巴克球的價電子數恰好與C60相同,表面由60個三中心兩電子σ鍵與30組四中心兩電子鍵構成,分別對應C60的60個單鍵與30個雙鍵。研究人員表示,該研究證實了硼巴克球確實存在,也為硼富勒烯材料開啟新方向。