Fullerene and Richard Buckminster Fuller

Ding Tingzhen
(Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084)

由C₆₀追溯福勒其人

丁廷桢
（清华大学化学系 北京 100084）

   1985年秋，在美国休士顿的莱斯大学的一所研究室里，罗伯特·柯尔（Curl R F美国）、哈罗德·克罗托（Kroto H W英国）和理查德·斯莫利（Smalley R E美国）三位教授及其研究小组，经过一周紧张研究和热烈讨论，终于完成了他们划时代的重大发现——C₆₀，碳的第三种稳定同素异形体。对这一后来被人们誉为“本世纪分子”的新发现物质，他们欣然命名为“Buckminsterfullerene”，简称“Fullerene”或“Bucky ball”。自此，冠于C₆₀名称之首的“Fuller”氏，因随C₆₀研究热潮的持续掀起，而再度享誉全球。《化学通报》近两年也发表了十多篇有关“Fullerene”的论文^[1～10]。其实，早在1967年加拿大蒙特利尔世界博览会（EXPO’67）之后， Fuller即闻名遐迩，只是，那时的中国，自我封闭，正处于动乱无治的“文革”灾难之中，怎容得有谁能够知道，世间上还有那么一位“福勒”君呢？如今，在我国学术界虽已逐渐习惯于“福勒烯”的称谓，然而，为什么要用一位既非化学家又非物理学家的Fuller 来为C₆₀命名呢？深知其缘者未必很多，笔者以为，对此作一番溯源追思，或许是不无启发和裨益的。
1 福勒生平简介
    福勒的全称是里查德·巴克明斯行·福勒（Richard Buckminster Fuller,Jr.）1895年7月21日诞生于美国麻萨诸塞州米尔顿小镇（现波士顿市郊）。自幼聪敏，昵称“Bucky”（巴克），喜爱田径、橄榄球和划浆等运动。18岁的福勒体质不壮，而且他的一条腿比另一条要短2厘米，尽管如此，他还是加入了有名的米尔顿橄榄球队，成为四分卫球手。
    1913年福勒上了哈佛大学，在学业和体育方面都有良好记录，但不知何故，曾两度被哈佛开除学籍，未能完成正规高等教育。第一次世界大战期间，在美国海军服役（他的祖父原为英国海军上尉），曾任华盛顿号舰艇上的通讯官，发明了特殊救生设备，对德国齐柏林飞船的设计和制造极感兴趣乃至着迷。后来，专长于材料、建筑和工程，对数学、哲学和文艺亦有相当造诣和素养。一生有过多种发明和创造，所获重要美国专利就有20多项，其中在1923年获得的第一项专利（U.S.Patent No. 1,633,702）是关于栅栏建筑系统的机械设计。日后他成为世界著名的“巨球建筑”大师。福勒是一位多产的发明家，其主要发明有如：1930年前后设计并试制成功特种越野汽车，速度快，耗油少，可原地转向180度；1943年试制三引擎汽车，每升汽油行程14～18公里；能呈现全世界地形的制图法；模压预制装配浴室；四面体的漂浮城市；水下穹窿农场和四维房屋模型等。1968年南伊利诺依大学聘他为教授，同年获美国文学艺术协会金质奖章，曾获英国皇家建筑金质奖章。1983年7月1日在加利福里亚州洛杉矶去逝，享年88岁。概而言之，福勒不仅是一位美国著名的建筑师、工程师、哲学家兼诗人，而且还是二十世纪下半叶最富创见的思想家之一。
2 福勒与穹窿建筑（geodesic domed）
    福勒从事球堆积的研究，发现如果从一个矢量平衡系统中移走一个中心球，则该系统将关闭为一个正二十面体的“固体”结构。二十面体可分解为正八面体，后者又可进而分解为正四面体（有四个三角面的角锥体）。这意味着，所有的多面体都可分割为其基本成分——正四面体。福勒认为，“宇宙中的一切结构都是由这种基本结构单元正四面体所构成。”当他发现三角形与球之间的相互关联时，高兴地写道：“我意识到了，有可能建造球形结构或多面体穹窿建筑，它是一个半球，由31个大圆圈绕着一个球面而构成，彼此交叉形成尺度不定的完美三角形。这种三角形球面就正好是正四面体的外部成分。因此我拥有全部这样的四面体，它们归属于该球的中心，它们不能分离。”福勒所发展的“协同几何学”为多面体穹窿（dome）现代建筑奠定了理论基础。这种由若干三角形或多边形的面所构筑的穹窿，其应力分布在结构本身之内。穹窿尺度没有限制，其构架总强度随尺度按对数比增加。
    1965至1967年，福勒与他在康奈尔建筑研究院时认识的日本学生兼朋友 Shoji Sodao一起，并在来自麻省理工学院（MIT）几位年轻建筑师和工程师的协助下，在蒙特利尔为EXPO’67兴建美国展览馆而辛勤工作，他们采用轻质金属和聚合材料建成别具一格的大球形美国展览馆，轰动世界，福勒也因此首次扬名千里，下图是福勒与美国展馆。

    迄今世界各地已建成的穹窿式建筑达数千之多。最著名者，除上述美国展馆以外，还有：福勒于1958年在美国路易斯安那州巴顿鲁日建成的联合油槽汽车公司修理大厅（球直径117米，高35米，为当时世界最大净跨现代建筑）；美国圣路易斯植物园中的一个热带带植物展厅，等等。
3  福勒与“起居机器”
     1927年福勒提出“起居机器”（英文：living machine,德文：Wohnmaschine）的设想，同年发明了在工厂装配而由飞机运载建造的设备齐全的住宅。1928年他在“兹加哥晚报”上发表文章，表述了他关于把“人造生命”（artificial life）作为一个四维“起居机器”的意念。不过，这也还只处于一种想象和设计阶段。受此思想的激励，1952年法籍瑞士建筑师Le Corbusier在马赛却完成一座“起居机器”的建筑，包括337个套间和一个供1600人用的广场。福勒建造“起居机器”的最终目的，是欲达到他的“动态最大世界”（Dymaxion World）。这种理念中的住宅，应具有“动态活力”和“最大的功效”，“Dymaxion”一词即为“dynamic+maximal efficiency”的缩写。
4 福勒与Synergy概念
  质量、能量和信息这些科学名词，从所周知，然而，与能量（energy）一词相似的Synergy（姑译为“协量”）却至今鲜为人晓。按福勒的定义，“不能由集成的、集聚的整个系统所分割的任一组分或其组分之亚组分来预测的该系统的行为，称为Synergy.”
    福勒上中学念书，当一位女教师在黑板上画了一个正立方体，并说这是从一个不存在的点开始画出的，此时一向执着于独立思考的福勒不能理会，如何有可能实现“从无到有”的。然而，正是这样的思索方式，却成为他日后发明“协同几何”（Synergetic gesmetry）的“闪亮”的智慧之辉光。
    1948年福勒曾对正二十面体(icosahedron)作过深入研究。基于矢量平衡方法，他把二十面体定义为31个“大圆能量轨迹”，他还推测：“在宇宙之中，正是由于这种二十面体，才使得个性（individuality）成为可能。矢量平衡决不止于平衡，而当大脑关闭思想开关之时，我们的意识将被禁锢在此二十面体中。宇宙里，二十面体的功能或许就在于，把宇宙能量的开关掷给局部的转辙系统。在这个二十面体中，能量甚至靠6个大圆而获得自身的锁定——这大概就能解释，为什么电子是可借用的（borrowable）而独立于质子中子群”。          
    福勒的Synergy概念在这里不可能详述，然而，或许在将来会引起更多人们的关注和研讨。
5 福勒眼里的牛顿和爱因斯坦
  福勒善于思考，勇于实践，富于创新。而科学与工程结合，艺术与技术相伴，学术与诗歌联姻则是他的表现风格。
   福勒关于4D住宅机器的设想，是深受爱因斯坦的影响而提出来的，他接受爱因斯坦物理学中的四维概念和一种可能的解——即有限宇宙犹如一个球体。福勒对牛顿的和爱因斯坦的“宇宙”有过深刻的思辨，甚至他写了如下的诗篇：

6 篇末语
1.多学科交叉，给福勒的创造思维带来灵感；学科间的融合，使福勒的发明极富设计巧妙，技术精湛，工程实用，艺术优美和思想丰厚的特色，令人赞叹不已。
2.C₆₀作为科学史上一项最新的偶然发现及其发展，是诸多学科合力碰撞、升华与结晶所获得的辉煌成果。
3.本文开头提及的三位教授，因C₆₀而获1997年诺贝尔化学奖，他们为C₆₀取名“Fullerene”，有着真诚纪念与推崇福勒之意。有鉴于此，笔者窃以为，把“Fullerene”的中译名定为“福勒碳”为好，一来保留了“福勒”的称谓，以尊重发明者之原意，二来可避免C₆₀家族含氢元素（烯）之嫌。
4.物理量“Sgnergy”的正式学术译名当请“化学名词”委员会或“物理名词”委员会认定。
7 参考文献
[1] 王永年.   化学通报, 1997,(7):27
[2] 郝春雁等. 化学通报, 1997,(6):9
[3] 陈仁钊等. 化学通报, 1997,(8):14
[4] 曹保鹏等. 化学通报, 1997,(12):1
[5] 余伯承等. 化学通报, 1997,(5):25
[6] 刘咏梅等. 化学通报, 1997,(1):41
[7] 韩万书.   化学通报,1997,(4):61
[8] 陆长元等. 化学通报, 1998,(1):1
[9]a.张文根.  化学通报, 1998,(11):61;b. 张文根. 化学通报(网络版), 1999,(13):9.
[10] 曹保鹏等.化学通报, 1999,(1):15
[11] Koruga D,Hameroff S,Withers J et al. Fullerene C₆₀, North-Holland,1993
[12] Hatch A, BucKminster Fulller: At home in the Universe, Crown Pub. Inc., New YorK, 1974
[13] fuller B R, Synergetics:Explerations in the Geometry of Thinking, MacMillan Publishing Company, New YorK, 1975
[14] Curl R F ,Smalley R E , Fullerenes. Scientific American, 54-63, October 1991
[15] Marks R, Fuller B R, The Dymaxion World of Buckminster Fuller. Auchor BooKs, New YorK, 1973
[16] Kroto H W, Allaf A W, Balm S P, C₆₀: Buckminsterullerene, Chem Rev 91:1213-1235,1991
[17] Sanders M, Buckminsterfullerene: The Inside Story. Science 213: 330-331, 1991

1998-11-25收稿