“你們所發(fā)現的，就是一個足球啊！”

《完美的對稱：富勒烯的意外發(fā)現》，[英]巴戈特著，李濤、曹志良譯，上海科技教育出版社，1999

劉鈍

1985年9月的某一天，英國蘇塞克斯大學的克羅托即將結束在德州賴斯大學的短期訪問，行前邀請幾位美國同事參加一個告別晚餐。餐桌上的話題只有一個：由60個碳原子構成的原子簇C60存在嗎？如果存在的話其結構是什么樣的？克羅托和受邀者們在餐巾紙上描畫著不同的立體圖形，結果莫衷一是。

在過去一年多的時間里，克羅托與賴斯大學的柯爾、斯莫利等人致力于一類大型碳分子結構的探索，他們的實驗團隊利用斯莫利發(fā)明的一臺團簇發(fā)生器，檢測出了C60和一些類似碳原子簇的微波信號，這些信號與克羅托通過射電望遠鏡在某些太空區(qū)域捕捉到的信號高度相似。問題是，這么多的碳原子是怎樣結合在一起形成一種穩(wěn)定結構的？人們自然會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成，可否將一個具有六邊形基本結構的大網彎曲起來（通過壓力、溫度的變化或摻入雜質）構成一個球狀物呢？一開始，克羅托他們都是按照這一思路去思考的。不過在當天的晚餐上，他突然想起自己蘇塞克斯家里的一個硬紙板玩具，那是當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。

回到臨時借居的柯爾家，克羅托再次想起那個玩具，猶豫著是否要給妻子打個電話，讓她數一數那個星穹上是否剛好有60個頂點。柯爾勸他不要攪醒夫人的好夢，此時英國那邊剛剛黎明，再說哪里會有這么巧的事情。

出席晚餐的另一位結構化學家希思和妻子也沒閑著，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：用小熊代表碳原子、牙簽代表鏈接鍵，先擺出一個與石墨基本結構類似的六邊形，然后努力嘗試搭出一個封閉結構來，但是無論如何都無濟于事。

斯莫利動手能力最強，回到家里先在計算機前忙乎了一陣，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。他先剪出一些全等的正六邊形，然后邊對邊地粘合起來，試圖拼出一個封閉的球狀結構，最終他意識到這是不可能的。此時午夜已過，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——對，為什么不試一下五邊形？他又制作了一堆同樣邊長的正五邊形，重新忙乎起來。他從一個五邊形開始，在其每條邊上粘上一個六邊形，這個紙質的結構很容易地向上彎曲成一個碗狀。此時斯莫利受到鼓舞，隱約感覺這種組合是可以重復的。接著他在碗形結構的邊緣間隔地添加了5個五邊形和5個六邊形，從而形成一個半球狀的東西。然后他繼續(xù)添加更多的五邊形和六邊形，并始終保持著每個五邊形的周圍有五個六邊形的模式，最終拼出了一個近似球體的完美多面體結構來。數一數共有12個正五邊形和20個正六邊形。沒錯，這應該就是C60的結構！

第二天早上，斯莫利帶上他的杰作前往大學，在路上用電話通知所有的團隊成員到辦公室來。當他把那個熬夜拼接成的紙球扔到咖啡桌上的時候，所有人都驚呆了。克羅托確認自己家中的星穹模型就是這個模樣，行事謹慎的柯爾開始檢驗模型上的每個碳原子是否滿足成鍵條件，最終大家一致認定這就是他們要找的一種全新的碳分子結構。

如此完美對稱的東西數學家不會不知道，斯莫利想到應該給數學系主任維科打個電話，在描述了這個模型的構造之后，電話那邊傳來維科的祝賀，不過最后他說：“孩子們，你們所發(fā)現的，就是一個足球啊！”其實如果早一些請教數學家，這些化學家們可能會少走點彎路，因為根據多面體的歐拉公式，完全由六邊形組成的凸多面體是不存在的。

一經點破，眾人哭笑不得。是的，一個現代足球就是由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個頂點。希思興沖沖地跑到附近的體育商店抱回一個真正的足球，說來也巧，這一天恰好是他的生日。經過一番討論，眾人決定采納克羅托的建議，將這種新分子命名為“富勒烯”，因為美國建筑師富勒關于網格穹頂的設計方案曾為他們的討論提供了靈感。

賴斯小組的貢獻不止是發(fā)現了足球狀富勒烯C60的存在并確定了它的結構，而是開啟了一個“球狀化學結構”研究的全新方向。C60只是龐大的富勒烯家族中的一種，越來越多的富勒烯被發(fā)現或在實驗室里制造出來，富勒烯及其衍生物在超導、納米材料、“大碳結構”設計、病毒學中獲得了廣泛應用，對于宇宙演化理論也提供了有力的支持。1996年，克羅托、柯爾和斯莫利由于富勒烯的發(fā)現榮獲諾貝爾化學獎。

所有這些，都是《完美的對稱》一書中講述的故事。