由C60追溯BuckminsterFuller其人.doc

由c60追溯 buckminster fuller 其人由c60追溯 buckminster fuller 其人 2011年04月29日作者：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，终於完成了他们划时代的重大发现c60(碳六十)，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，冠於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（expo67）之后， fuller即闻名遐迩，只是，那时的中国，自我封闭，正处於动乱无治的文革灾难之中，怎容得有谁能够知道，世间上还有那麼一位fuller 君呢？如今，在我国学术界虽已逐渐习惯於fuller 烯的称谓，然而，为什麼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. buckminster fuller 生平简介 fuller 的全称是 richard buckminster fuller, jr.，1895年7月12日诞生於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fuller 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 fuller 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著迷。后来，专长於材料、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）是关於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。fuller 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，fuller 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. fuller 与穹窿建筑（geodesic domed） fuller 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）。这意味著，所有的多面体都可分割为其基本成分正四面体。fuller 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个大圆圈绕著一个球面而构成，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，它们归属於该球的中心，它们不能分离。fuller 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，fuller 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expo67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，fuller 也因此首次扬名千里，下图是fuller 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：fuller 於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. fuller 与起居机器 1927年fuller 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，表述了他关於把人造生命（artificial life）作为一个四维起居机器的意念。不过，这也还只处於一种想像和设计阶段。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。fuller 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）。 fuller 理念中的住宅dymaxion house，应具有动态活力和最大的功效，此作品以一机器供作生活用，其实用性将远超过隐喻性。与同时代的欧洲纯粹主义杰作和相关的运动不同， 他的dymaxion house不以讲究美学的因素为最终目的，而其主要观点在於以一种因生活空间的连结所造成的机械服务设备的组合。 1933年，fuller 根据dymaxion构想发展出一种机械化式样的三轮自动车 dymaxion car，该车的燃油效率达到每加仑汽油可供行驶30英里(每 7.8 升 可供行驶 100 公里)。 *dymaxion一词即为dynamic + maximal efficiency的缩写。 4. fuller 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fuller 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. fuller 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，此时一向执著於独立思考的fuller 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fuller 曾对正二十面体(icosahedron)作过深入研究。基於矢量平衡方法，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 於这种二十面体，才使得个性（individuality）成为可能。矢量平衡决不止於平衡，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於，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，为什麼电子是可借用的（borrowable）而独立於质子中子群。 fuller 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. fuller 眼里的牛顿和爱因斯坦fuller 善於思考，勇於实践，富於创新。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。 fuller 关於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。fuller 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： 牛顿曾是名词 爱因斯坦却是动词 爱因斯坦准则 造就牛顿法则 瞬息宇宙 有多奇妙 唯有天体 执著固守。 在静寂的状态里 或者 除非受到了影响 这样树立起碑群！ 非同时发生的物理世界 就是能量， 而且 能量等於 质量乘以光速平方 绝无例外！ 裂变证实 爱因斯坦假设 变化是正常的 感谢你，爱因斯坦！ newton was a noun and einstein is a verb einsteins norm makes newtons norm instant universe absurd a body persists. in a state of rest or- except as affected thus gravestones are erected! non-simultaneous,physical universe is energy,and energy equals mass times the second power of the speed of light no exceptions! fission verified einsteins hypothesis change is normal thank you, albert! 6. 篇末语 a. 多学科交叉，给fuller 的创造思维带来灵感；学科间的融合，使fuller 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。 b. 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。 c. 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，有著真诚纪念与推崇fuller 之意。有鉴於此，笔者窃以为，把fullerene的中译名定为fuller 碳为好，一来保留了fuller 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 9a.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 buckmi