對稱之美

沈海軍

碳富勒烯指的是一類由碳原子組成的籠狀分子，它是繼金剛石和石墨之后人類發(fā)現(xiàn)的碳元素的第三種形態(tài)。碳富勒烯最早是由英國化學(xué)家克羅托博士于1985年發(fā)現(xiàn)的，為此，他獲得了1986年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

和納米碳管一樣，碳富勒烯也是納米科技中的明星分子，它們可分別包含24個(gè)、42個(gè)、60個(gè)、70個(gè)、80個(gè)……碳原子?，F(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)，包含60個(gè)碳原子的碳60富勒烯分子化學(xué)穩(wěn)定性最好。因此，長期以來，這種結(jié)構(gòu)的分子備受關(guān)注。

為什么此種籠狀碳分子被稱作富勒烯呢?這還要從一座著名的建筑說起。

1967年，世界博覽套在加拿大蒙特利爾舉行。此次世博會(huì)上，美國萬國博覽館的拱形圓頂設(shè)計(jì)輕巧精美，引起了人們的關(guān)注。承擔(dān)此次設(shè)計(jì)任務(wù)的正是美國建筑業(yè)設(shè)計(jì)天才巴克明斯特·富勒。受到了該富勒形圓頂薄殼建筑(如上圖所示)的啟發(fā)，克羅托博士構(gòu)思出了這些籠狀碳分子的分子結(jié)構(gòu)。因此，這種籠狀碳分子就被命名為碳富勒烯。

后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，碳60富勒烯分子的結(jié)構(gòu)確為球形32面體，它是由60個(gè)碳原子以20個(gè)六元環(huán)和12個(gè)五元環(huán)連接而成的——這居然和我們踢的足球一模一樣，所以，碳60富勒烯也被稱為足球烯。

碳富勒烯的中空結(jié)構(gòu)和完美的對稱結(jié)構(gòu)引起了人們無限的藝術(shù)退想?，F(xiàn)在，借鑒碳富勒烯的結(jié)構(gòu)，人們不僅設(shè)計(jì)了各種與富勒烯外形相似的屋頂、小孩玩具與小飾品、裝飾圖案、標(biāo)識／徽標(biāo)，而且開展了諸多以富勒烯為主題的聯(lián)想藝術(shù)創(chuàng)意、分子拼圖、計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)、室內(nèi)裝璜、室外造型設(shè)計(jì)等。此外，在富勒烯的理論模擬與實(shí)驗(yàn)制備過程中也得到了許多令人賞心悅目的“富勒烯花”、“富勒烯樹”等納米藝術(shù)作品。

總之，碳富勒烯藝術(shù)已經(jīng)成為納米藝術(shù)的重要組成部分。

碳富勒烯分子構(gòu)型與模型

碳60富勒烯分子具有中空的籠狀結(jié)構(gòu)、高度的立體對稱性。因此，不管我們是在量子化學(xué)軟件中建模也好，還是在化學(xué)教學(xué)中制作教具也好，最終以可視化方式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，或者呈現(xiàn)在我們眼前的，往往會(huì)是一個(gè)看似精巧而又不俗的“藝術(shù)品”(圖1)。

類富勒烯玩具與飾品

由于富勒烯分子結(jié)構(gòu)精妙，因此，帶給玩具和小飾品商們以極大的靈感和商機(jī)。

如今，商家們將五彩的帶孔小球用繩子穿起來，構(gòu)成富勒烯狀，便產(chǎn)生了人見人愛的小玩具；當(dāng)然，將黃金做成富勒烯結(jié)構(gòu)耳墜，或在吃飯用的盤子底部印制上富勒烯花紋，往往也會(huì)提高商品的藝術(shù)品味。

建筑設(shè)計(jì)

自從1967年富勒在加拿大蒙特利爾為美國萬國博覽館設(shè)計(jì)了圓形薄殼頂部以來，各種具有球形的富勒烯狀屋頂?shù)慕ㄖ映霾桓F，花樣不斷翻新。圖2(a)為某博物館門前的富勒烯入口，該入口貌似半個(gè)扣在地上的富勒烯分子，入口墻壁由若干多邊形組成，每個(gè)多邊形平面上安裝有玻璃，富勒烯入口墻壁上的“碳一碳”鍵框架則構(gòu)成了安裝玻璃的窗框。該建筑的特點(diǎn)是采光充分，簡潔大方。

圖2的另外兩幅圖分別為美國堪薩斯州南部的一處火車加油站和一處民居。它們的共同特點(diǎn)都是具有球形的屋頂?，F(xiàn)在，該加油站已被拆除，它是當(dāng)時(shí)(1958年)世界上最大的球形屋頂建筑。

富勒烯及其衍生物聯(lián)想創(chuàng)意

由于碳富勒烯具有中空的結(jié)構(gòu)，因此通過物理、化學(xué)方法，可在其內(nèi)部添加原子或小分子；當(dāng)然也可通過加成化學(xué)反應(yīng)在富勒烯表面添加各種原子或分子基團(tuán)。這些方法都可以得到碳富勒烯衍生物?；诟焕障蛘哌@些富勒烯衍生物的模型，加上聯(lián)想，也可進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作。

圖3為幾幅富勒烯與富勒烯衍生物的聯(lián)想作品。圖3(a)是一個(gè)內(nèi)部填充了某種原子的富勒烯模型，給其加上背景、星光，就成了一幅“星夜”畫面；圖3(b)則是一幅荷花圖，荷花為一個(gè)個(gè)粉色的富勒烯分子，淺色和深色的背景分別為荷葉和水面；圖3(c)則是一幅“木星及其衛(wèi)星”的畫面，該畫以木星的望遠(yuǎn)鏡照片為背景，用幾顆富勒烯球作為木星的衛(wèi)星；圖3(d)則是兩個(gè)富勒烯衍生物，它們酷似帶光環(huán)的木星及剛采摘的菠蘿。

富勒烯與SPM納米藝術(shù)

SPM(掃描探針顯微鏡)是納米科技的重要儀器。利用它不僅可以觀察原子和分子，而且也可以操縱原子或分子。事實(shí)上，SPM也是人們納米尺度藝術(shù)創(chuàng)作的“眼”和“手”?，F(xiàn)在，科學(xué)家不僅能夠使用SPM搬動(dòng)富勒烯分子拼成各種各樣的文字、圖形，還可以用其在硅等材料基體上“繪制”出像富勒烯分子模型這樣的納米圖案。

圖4為世界上第一個(gè)體積最小、人眼難以看見的納米算盤。該算盤是1995年美國IBM公司的科學(xué)家用掃描探針顯微鏡繪制的，每個(gè)算盤珠子都是一個(gè)碳60分子，直徑不到百萬分之一毫米。納米算盤的框架是用銅原子筑成的“堤壩”；然后按10個(gè)碳60分子為一列，排成數(shù)列?！暗虊巍敝g的溝就起到了類似軌道的作用。撥打納米算盤用的是掃描探針顯微鏡的探針，該針尖的粗細(xì)一般只有數(shù)個(gè)原子大小。當(dāng)精密控制的探針接近算盤珠時(shí)，算盤珠會(huì)前后移動(dòng)，進(jìn)行“計(jì)算”。

圖5為柏林自由大學(xué)科學(xué)家使用掃描探針顯微鏡在硅表面繪制的富勒烯圖案。繪制該圖案時(shí)，掃描探針顯微鏡探針被施加強(qiáng)電壓，在空氣環(huán)境中，強(qiáng)電壓誘發(fā)硅表面氧化，氧化后得到的氧化硅線條便在硅表面上構(gòu)成了直徑僅為1微米左右的富勒烯足球圖案。

計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)中的富勒烯

納米科技使得微觀機(jī)器從底部設(shè)計(jì)到最終生產(chǎn)出真正的產(chǎn)品成為可能。計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)軟件就是一個(gè)實(shí)現(xiàn)上述美好愿望的重要工具。計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)軟件是近幾年來才出現(xiàn)的新生事物，可以用來最大程度探索和實(shí)現(xiàn)納米器件的各種靈感——從概念到商品化的開創(chuàng)性嘗試。通過計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)軟件，用戶可以對納米器件進(jìn)行構(gòu)建、瀏覽、模擬、分析與設(shè)計(jì)，了解所設(shè)計(jì)納米器件的各種物理、電學(xué)、生物、光學(xué)特性，獲取納米器件從微觀尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。事實(shí)上，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)也已成為納米藝術(shù)作品創(chuàng)作的一個(gè)重要途徑。

富勒烯分子具有高度的空間對稱性，因此常在分子器件設(shè)計(jì)中被用作軸承的滾珠、豐輪等。

有人使用某計(jì)算機(jī)輔助納米工程軟件設(shè)計(jì)了分子機(jī)器和分子萬向節(jié)。在該分子機(jī)器與和萬向節(jié)的設(shè)計(jì)中，球狀富勒烯分子都被用作滾珠。還有科學(xué)家用另外一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)出了分子車。這輛分子車行進(jìn)在銅晶面上，地面上每一個(gè)圓球代表一個(gè)銅原子，每個(gè)車輪都由一個(gè)碳60富勒烯分子構(gòu)成。

理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究中的富勒烯藝術(shù)

當(dāng)我們使用分子動(dòng)力學(xué)、量子化學(xué)等軟件對富勒烯進(jìn)行分子構(gòu)型、靜電勢等理論模擬，或者采用自組裝等試驗(yàn)技術(shù)制備碳富勒烯時(shí)，常常也會(huì)得到許多絢麗的藝術(shù)景象。

科學(xué)家采用分子動(dòng)力學(xué)軟件模擬富勒烯和蛋白質(zhì)作用時(shí)得到了富勒烯花朵圖像；另有些人則在采用量子化學(xué)軟件理論分析富勒烯時(shí)得到了富勒烯周圍的靜電勢，電場環(huán)繞的富勒烯儼然像一個(gè)帶光環(huán)的“星球”。

室內(nèi)裝飾與室外造型

現(xiàn)在，富勒烯造型不僅被設(shè)計(jì)師們用來裝飾室內(nèi)，而且也用于設(shè)計(jì)室外藝術(shù)造型。人們不僅可以用富勒烯框架模型來增加場館的科技氛圍，還可以用富勒烯造型繪畫裝飾辦公室的墻面。

除了上面提到的這些以外，還有一些其他形式的富勒烯藝術(shù)形式(圖6)，比如，富勒烯狀的氣球、富勒烯狀的公用電話亭，以及胸前印有富勒烯圖案的文化衫等。