撰文 | 劉鈍

1985年9月的某一天，英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)的克羅托（Harold Kroto）即將結(jié)束在德州賴斯大學(xué)的短期訪問，行前邀請(qǐng)幾位美國(guó)同事參加一個(gè)告別晚餐。餐桌上的話題只有一個(gè)：由60個(gè)碳原子構(gòu)成的原子簇C60存在嗎？如果存在的話其結(jié)構(gòu)是什么樣的？克羅托和受邀者們?cè)诓徒砑埳厦璁嬛煌牧Ⅲw圖形，結(jié)果莫衷一是。

在過去一年多的時(shí)間里，克羅托與賴斯大學(xué)的柯爾（Robert Curl）、斯莫利（Richard Smalley）等人致力于一類大型碳分子結(jié)構(gòu)的探索，他們的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用斯莫利發(fā)明的一臺(tái)團(tuán)簇發(fā)生器，檢測(cè)出了C60和一些類似碳原子簇的微波信號(hào)，這些信號(hào)與克羅托通過射電望遠(yuǎn)鏡在某些太空區(qū)域捕捉到的信號(hào)高度相似。問題是，這么多的碳原子是怎樣結(jié)合在一起形成一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的？人們自然會(huì)想到碳元素最常見的兩種形態(tài)——石墨與金剛石，其中石墨系由眾多呈六邊形排列的碳原子層疊構(gòu)成，可否將一個(gè)具有六邊形基本結(jié)構(gòu)的大網(wǎng)彎曲起來(lái)（通過壓力、溫度的變化或摻入雜質(zhì)）構(gòu)成一個(gè)球狀物呢？一開始，克羅托他們都是按照這一思路去考慮的。不過在當(dāng)天的晚餐上，他突然想起自己蘇塞克斯家里的一個(gè)硬紙板玩具，那是當(dāng)年為兒子買的星穹模型，隱約記得上面除了六邊形還有五邊形。

回到臨時(shí)借居的柯爾家，克羅托再次想起那個(gè)玩具，猶豫著是否要給妻子打個(gè)電話，讓她數(shù)一數(shù)那個(gè)星穹上是否剛好有60個(gè)頂點(diǎn)?？聽杽袼灰獢囆逊蛉说暮脡?mèng)，此時(shí)英國(guó)那邊剛剛黎明，再說哪里會(huì)有這么巧的事情。

出席晚餐的另一位結(jié)構(gòu)化學(xué)家希思（James R. Heath）和妻子也沒閑著，在回家途中的一家雜貨鋪里，他們買了一袋小熊膠糖和牙簽，回到家就迫不及待地搭起模型來(lái)：用小熊代表碳原子、牙簽代表鏈接鍵，先擺出一個(gè)與石墨基本結(jié)構(gòu)類似的六邊形，然后努力嘗試搭出一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)來(lái)，但是無(wú)論如何都無(wú)濟(jì)于事。

斯莫利動(dòng)手能力最強(qiáng)，回到家里先在計(jì)算機(jī)前忙乎了一陣，仍然一籌莫展。之后他干脆拿出筆、紙、剪刀和膠水，做起兒童手工來(lái)。他先剪出一些全等的正六邊形，然后邊對(duì)邊地粘合起來(lái)，試圖拼出一個(gè)封閉的球狀結(jié)構(gòu)，最終他意識(shí)到這是不可能的。此時(shí)午夜已過，斯莫利卻越發(fā)沒有睡意。他從冰箱里掏出一瓶啤酒，杯酒下肚后突然想起克羅托說的玩具模型來(lái)——對(duì)，為什么不試一下五邊形？他又制作了一堆同樣邊長(zhǎng)的正五邊形，重新忙乎起來(lái)。他從一個(gè)五邊形開始，在其每條邊上粘上一個(gè)六邊形，這個(gè)紙質(zhì)的結(jié)構(gòu)很容易地向上彎曲成一個(gè)碗狀。此時(shí)斯莫利受到鼓舞，隱約感覺這種組合是可以重復(fù)的。接著他在碗形結(jié)構(gòu)的邊緣間隔地添加了5個(gè)五邊形和5個(gè)六邊形，從而形成一個(gè)半球狀的東西。然后他繼續(xù)添加更多的五邊形和六邊形，并始終保持著每個(gè)五邊形的周圍有五個(gè)六邊形的模式，最終拼出了一個(gè)近似球體的完美多面體結(jié)構(gòu)來(lái)。數(shù)一數(shù)共有12個(gè)正五邊形和20個(gè)正六邊形。沒錯(cuò)，這應(yīng)該就是C60的結(jié)構(gòu)！

第二天早上，斯莫利帶上他的杰作前往大學(xué)，在路上用電話通知所有的團(tuán)隊(duì)成員到辦公室來(lái)。當(dāng)他把那個(gè)熬夜拼接成的紙球扔到咖啡桌上的時(shí)候，所有人都驚呆了?？肆_托確認(rèn)自己家中的星穹模型就是這個(gè)模樣，行事謹(jǐn)慎的柯爾開始檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系拿總€(gè)碳原子是否滿足成鍵條件，最終大家一致認(rèn)定這就是他們要找的一種全新的碳分子結(jié)構(gòu)。

左：斯莫利的紙制C60模型，克羅托和柯爾在上面貼了標(biāo)簽表示雙鍵，以檢驗(yàn)是否每個(gè)碳原子都滿足成鍵條件。右：位于上萬(wàn)公里以外的克羅托家中存放的多面體星穹教具，后來(lái)發(fā)現(xiàn)與斯莫利的模型一模一樣。

如此完美對(duì)稱的東西數(shù)學(xué)家不會(huì)不知道，斯莫利想到應(yīng)該給數(shù)學(xué)系主任維科打個(gè)電話，在描述了這個(gè)模型的構(gòu)造之后，電話那邊傳來(lái)維科的祝賀。他可能是位老先生，接著又不忘補(bǔ)充道：“孩子們，你們所發(fā)現(xiàn)的，就是一個(gè)足球??！”其實(shí)如果早一些請(qǐng)教數(shù)學(xué)家，這些化學(xué)家們可能會(huì)少走點(diǎn)彎路，因?yàn)楦鶕?jù)多面體的歐拉公式，完全由六邊形組成的凸多面體是不存在的。[附：如果能夠再找到一位懂行的數(shù)學(xué)史家，對(duì)方可能還會(huì)告訴他們：由兩（或三）種全等正多邊形圍成的多面體叫做半正多面體，據(jù)說古希臘阿基米德就已發(fā)現(xiàn)共有13種不同的半正多面體（猶如柏拉圖或他的學(xué)派知道共有5種不同的正多面體一樣），所以被稱作“阿基米德多面體”（Archimedean polyhedra）。C60的結(jié)構(gòu)也是一種阿基米德體。]

一經(jīng)點(diǎn)破，眾人哭笑不得。是的，一個(gè)現(xiàn)代足球就是由20塊（白色）六邊形和12塊（黑色）五邊形球皮縫制而成，它正好有60個(gè)頂點(diǎn)。希思興沖沖地跑到附近的體育商店抱回一個(gè)真正的足球，說來(lái)也巧，這一天恰好是他的生日。經(jīng)過一番討論，眾人決定采納克羅托的建議，將這種新分子命名為“富勒烯”（Fullerene），因?yàn)槊绹?guó)建筑師富勒（Buckminster Fuller）關(guān)于網(wǎng)格穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)方案曾為他們的討論提供了靈感。

富勒為1967 年蒙特利爾世界博覽會(huì)美國(guó)館設(shè)計(jì)的穹頂

1996年，克羅托、柯爾和斯莫利由于富勒烯的發(fā)現(xiàn)榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們的貢獻(xiàn)不止是發(fā)現(xiàn)了足球狀富勒烯C60的存在并確定了它的結(jié)構(gòu)，而是開啟了一個(gè)“球狀化學(xué)結(jié)構(gòu)”研究的全新方向。C60只是龐大的富勒烯家族中的一種，越來(lái)越多的富勒烯被發(fā)現(xiàn)或在實(shí)驗(yàn)室里制造出來(lái)，富勒烯及其衍生物在超導(dǎo)、納米材料、“大碳結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)、病毒學(xué)中獲得了廣泛應(yīng)用，對(duì)于宇宙演化理論也提供了有力的支持。

從左至右：克羅托、柯爾、斯莫利

1985年11月《自然》雜志封面，報(bào)導(dǎo)柯爾、克羅托與斯莫利發(fā)現(xiàn)了C60結(jié)構(gòu)富勒烯

所有這些，都是《完美的對(duì)稱》（巴戈特著，李濤、曹志良譯，海科技教育出版社）一書中講述的故事。

本文原載于《南方周末》2018年8月30日，經(jīng)作者授權(quán)發(fā)表于《返樸》，略有改動(dòng)。

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