《美伦美奂的穹顶建筑与材料的微结构》

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美伦美奂的穹顶建筑与材料的微结构- 第2节


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    现在讲第二点,就是碳60的分子球笼。左边的是英国人叫Kroto,他是个天体化学家,我们知道宇宙里面有个碳星,那么碳星就要发出碳氢化合物来,所以天体化学家,他可以在宇宙里面找到碳氢化合物,他为了研究天上的碳星化合物,他在实验室里合成一些碳氢化合物和天上的对比,他合成到十个碳原子的时候,就再也做不下去了,因为他的激光器的能量不够。他也是一个天体化学家,在美国Rice大学,叫科尔, 就是那一排字最后Curl,科尔也是天体化学家,科尔就说,在我们Rice大学,有个最右下角那个叫Smalley ,Smalley研究金属的原子团,金属原子要比碳原子重得多,因此你要轰击它,你要能量大得多,他说斯马瑞建了一个很大能量的激光器,你到他那儿去做,所以科尔起了个中介作用,那么左边的Kroto就到Smalley那里去,Smalley说我只给你两个礼拜的时间,我这个机器很忙,他就带了两个研究生,一个叫Heath,一个叫O'Brien这都是美国的研究生了,做实验,就发现了有碳60的分子,这个Kroto他本人也很喜欢艺术,他曾经到过蒙特利尔世博会上,看到过那个穹顶的大球,于是呢,他当时还做了个结构,就是我下面挨着他那个,那是他回家以后,做的一个由五角面、六角面合成的一个截顶二十面体的球,他在讨论会上,他们讨论到五六点钟,他就说,我家里有那么一个球,但是我忘记了有多少个顶点,可能是六十个,那么六十个碳原子正好座落在六十个顶点上,这时候他们就说了,因为美国、英国时差有五个小时,他说,那儿已经半夜了,他说我打电话,说你不要打电话吵他们,Smalley就跑到图书馆里去,查到了Buckminsterfuller的书,就发现里面有这个结构,于是他连夜就剪了一些纸板,五角形的,六角形的。然后就用胶带把它胶起来,你看,有的还是双键,因为碳是四价的,一个碳原子和两个碳原子结合,就去掉两价,跟另外一个碳原子,我非得双键不可,那么有机化学里面,碳原子双键的结合,叫做烯。因此呢,后来他就起个名字,整个名字叫Buckminsterfullerene,烯的有的化学英文里的末尾ene,于是他们就决定了,管碳60的分子叫Buckminsterfuller,就是这个人的名字,名和姓,然后再加上ene,ene就是烯,所以叫做富勒烯,像我刚才讲的,也有人管它叫布基球,因为Buck,是他们家里讲的,亲热一点吗,所以叫布基球,学术上名字我们说是碳60球笼,因为它是像个球,一个笼子一样,所以这是跨大西洋的合作。十四天,产出非常好的结果。这就是他们的模型,一个球五边形、六边形,五边形他给它画成一些虚线,表示五边形,然后中间有双键,实际上这就是一个跟足球没有什么差别,因此管它叫碳60球或者是布基球。 

    下面我们再看,他这两周的工作,投到Nature上,不到十天就发表了,那么Nature,Science还有德国相应的杂志,还有Newscientist英国的,立刻在封面上报道了这个成果,这个成果是非常大的。因为这个球出来之后,就开辟了碳60化学,我们知道碳有三种,过去知道碳有两种,一种是金刚石,非常美的,但是它是无机结构。第二种是石墨,石墨就是苯环,一个平面都是苯环,苯环就是六角的了。所以,这两种结构,那苯环是有机化学的基础了,现在突然出了个碳60,是个球,新的,是碳的第三种形式,因此就出了碳60化学,就跟过去有过无机化学,有机的苯化学,现在出了一个碳60化学,这个笼子,碳球,里面是空的,你可以把很多东西放进去,它可以变成超导,你换另外一种东西放进去,它也可以变成绝缘体,然后外面可以长东西,在电子显微镜里面可以看见,你看最下角是最早的,有那么一圈、两圈,一圈差不多就是一个纳米,后来又长出几圈来,右下角又长出一圈,左上角又长了两圈,最后长到最右面,长了多少个圈,所以有人管它叫“纳米葱”,就有点像洋葱一样,一层一层剥开。1991年,一个日本的科学家叫饭岛·Iigima,它叫长出碳管来了,一个红的管子,六角面的,这个碳管,实际上是有道理的,就是我一个六角面,我可以把它围成一个圆筒再接起来,就是这个。你要是圆筒这面,把它再加个罩,半球罩,那又是五边形,这个圆柱面上可以都是六边形,这个现在属于纳米电子学,纳米科学,纳米碳管是起主导作用,因为最里面红的,不到一个纳米。你可以做一个电极发射,它是中空的,里面你可以充上不同的金属,它也可以充进氢,所以它现在吸氢的效率,比已知的任何的吸氢材料都高。 

    下面讲第三方面,就是二十面体准晶体,它更小,它里面的五边形是半个纳米。讲到晶体,我们就多说几句,我们知道三角形,三角形的砖我可以铺满一个地面,正方形的砖也可以铺满一个地面,六角面的砖也可以铺满一个地面。但是正五边形、正五角形和正八角形都不能够铺满地面,都会留出空隙来。所以呢,很早以前,晶体学家就说出来了,说我们不能用正五边形,晶体学里面不允许有五边形,因为一个物质里面不能有空洞,都得填满,那么你用五次对称的东西填不满,那么晶体呢,都是很多晶胞组成的,就跟我们人身体里面很多细胞组成的一样,晶胞都是一样的,跟人的细胞不一样,细胞有不同的细胞,晶体里面的晶胞都是一样的,在空间里面,无限地延伸,你像这里的三角形或者说正方形,它可以在一个平面的两个方向延伸开来,复制开来,周期的排列。我讲的周期是空间的周期,它也可以在正方形的法线方向排下去,变成一个立体的,一个立方形的晶胞的三维排列,周期性排列,所以有的人说,晶体尽管它很漂亮,玲珑剔透,但是它是死的,因为它没有变异,怎么长它都是一个相同的晶胞,没有新的东西,它不可能生长新的,没有变异。但是五边形的东西就排不了周期。下面看到,它排出非周期的,不是周期的排列,非周期的东西排出来就可以有生命,那么现在我们看看,在自然界里面有五重对称的东西。右下角,这个叫“辐射虫”,在海底下的。最下角是一个五次对称的,二十面体对称,你看一个五重对称的球,左边,左下角,五重轴在上面,下去,你看有五个瓣, 自然界里五重对称是很多的。荷兰有个画家叫Escher,非常有名,他画了很多跟对称有关的画,左边是一个海星,在二十面体的十二个顶点上放一个海星,海星尽管它不是直的,弯弯曲曲的,但是它是五次对称的,每转72度,它重复一次,然后它在三个五角形的中间是个三次对称,他放了三个贝壳,这是他画的一幅画,但是它是五次对称的。 

    右面也是他画的,那是个小爬虫,从小一直变大,那个白的,那里面还有黑的,可惜看不见了,它是布满了白的、黑的,三种颜色爬虫在一起,你们可以看到的,明显的是三个黑的爬虫,从小变大,这五次对称允许它逐渐逐渐变大。所以1930年左右,这个画,他的题目就是“发育的”,所谓的“发育的”就是有机的,不是像晶体的晶胞是死的。1984年以色列的科学家叫Shechtman,他在急冷的铝、锰里面,发现了五重对称的微结构。那么后来有人给它拍成电子显微像,就像花一样,它叫做二十面体花,你看一个花瓣五个瓣,右上角五个瓣,然后右边又一个花,五个瓣,左上角也是个花,也是五个瓣,这三个,五个花瓣的花,是满足三次对称的要求,也就是二十面体对称了,既有五重对称又有三重对称,这个是铝、锰里面的实物,扫描电子显微像。那么后来做它的会聚束电子衍射,你看看有五个很亮的斑,最外圈有五个,里面还有五个,那么这也是显示它内部的结构,原子排列是满足五重对称的,所以他1984年发表的时候,就有五重对称的证据,不过后来呢,人家用扫描电子显微镜和会聚束电子衍射,把结论做得更明确一点。 

    下面是个中国的科学家,叫鄢彦发,他在2000年左右,在美国用一种特殊的电子显微镜,可以拍到原子像。每一个亮点就代表原子,那么点越亮,表示原子量越大,我这里有铝、有镍、有钴,大家知道,镍和钴的原子量都很大,跟铁差不多,那么铝就比较轻了,小好几倍。这个准晶五次对称,在1984年发展起来,立刻在全世界引起轰动。德国的最大博物馆,慕尼黑的德意志博物馆,就在墙上做了五次对称的一个大的画面,小孩坐在那里,大家可以知道它的尺寸。 

    芬兰更厉害,它索性把五次对称,做成一个砖面,后面是它的科学馆,它在地上就铺成五次对称的图案。从左面数第二个人,是中国科学院当时的院长周光召同志,这个科学馆是1989年建成的,我们正好在那儿参观,于是这个芬兰招待方就请我们去参观它的科学馆,而在它的科学馆前面就铺了很大面积的,五次对称的准晶的结构。 

    最后我想讲一点感想,不管穹顶是几十、几百米大,或者是我的微观结构,病毒也好,碳60的球也好,或者准晶里面的原子排列也好,球状的,五重对称的,它的基本原理都是一个,就是多面体。所以学一点多面体是必要的。第二个是博学与专的结合。大家可能看起来很简单,这就是一个多面体嘛,结果是,Kluy因为细菌的研究,得了1982年的化学奖、诺贝尔奖。那三个人呢,搞碳60的,1996年得了诺贝尔化学奖。Shechtman发现了准晶,也得到瑞典科学院的最高的晶体学奖,好像得来全不费功夫,就抓来了,实际不然,他们都有很雄厚的本学科的基础,所以他既博,就是从别的学科里面得到营养,他们都从穹顶建筑得到营养,但是你还要结合,你在本专业要不精,恐怕也不会有这些发现,所以对将来想从事科学研究的人,我们专是必要的,但是不博也不行。好,谢谢大家。 

    主持人:好,咱们接下来,先看一看来自凤凰网站网友对郭老的提问。这第一位网友叫“中国人非常可乐”。他说,30年代,荷兰画家艾舍尔刚才您提到了,曾经描绘出五重和八重旋转对称结构的图象,那样子非常像郭老50年后发现的准晶。所以我要问两个问题,第一是我们自己的科学家,是不是大多不大关心艺术成就,如果关心的话,恐怕30年代,就可以按照艾舍尔画的画,按图索骥,一举发现准晶,不必等上半个世纪;第二,听说准晶新结构,实际上是郭老在世界上第一个发现
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