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泡型建築與碳六十

99/10/08 瀏覽次數 17802
小百科

泡型圓頂建築是美國建築家富勒(Richard Buckminster Fuller, 1895~1983)於 1940 年代創始的,1954 年獲美國專利。這種建築物是由許多多面體拼湊起來的,利用張力支撐而少用壓力,穩固耐用又美觀,所用的材料也少。

1985 年,化學家庫爾(Robert Curl),克洛托(Harold Kroto)和史馬列(Richard Smalley)無意中發現:碳經高能量雷射的撞擊後,灰粉中含有 60 個碳連接起來的大分子。仔細分析後,發現碳六十是由 12 個五角環和 20 個六角環連接起來的,而每一個五角環有5個六角環緊接著,結構相當穩定。這結構正是富勒的泡型圓頂建築的縮影,他們就把碳六十命名為Buckminsterfullerene,簡稱富勒烯(fullerene)。由於它是足球的形狀,因此又簡稱百奇球(Buckyball,或譯:巴克球)。

發明者

富勒出生於美國麻省北方的小鄉村,上哈佛大學,但因為行為不軌被退學 2 次,沒有畢業就離開哈佛。後來做一些和機械有關的工作,無師自通學習一些建築設計,創造出泡型圓頂建築。他在 1950 年代就成為世界知名的泡型圓頂建築專家,1955年任教於聖路易斯市的華盛頓大學建築系,4 年後轉到鄰近的南伊利諾大學 Carbondale 校區(1959~1970)任教。

庫爾和史馬列都是美國德州萊斯大學(Rice University)的教授。庫爾的專長是微波及紅外線光譜學,主要是探討分子的旋轉能態。史馬列是物理化學家,著重於分子團形成和結構的探討。克洛托是英國蘇沙大學(University of Sussex)的天文學家,專長是用微波光譜學測量太空的氣層結構。3 人因發現碳六十的存在和球狀特異結構,而獲得 1996 年的諾貝爾化學獎。

靈機一動

富勒 32 歲時,在芝加哥有一度失業,又遭遇 10 歲的女兒因病去世,使他自責而幾乎跳進密西根湖自殺。然而他突然間想開來,想到只要自己發揮天賦努力上進,說不定能對整個社會造成極大的影響。自此自力更生,專注建築設計。

富勒是一個能細心觀察而創新的人,他覺得大自然界的生態是最好的模擬對象,如小水珠、細胞都以球狀穩定存在,這些球體是由張力支撐的。他發現極大多數的建築都以壓力為主,一層層堆砌舉高而成,但這些承受壓力的建築物一旦陳舊或地震就容易倒塌。於是他開始思考,嘗試用張力的方式去減輕材料的壓力。開始時,他用四邊形做基礎,後來以五和六角形做基礎,而創出泡型圓頂建築系列。

庫爾因為專業上的關係,跟英國的克洛托相識。1985 年,克洛托正著手探討高碳的大星座,他的許多初步太空測量顯示這些星座含有很多碳的大分子,但是無法在實驗室裡證實。這時庫爾的同事史馬列正在進行碳團大分子的研究,透過庫爾的關係,克洛托就到史馬列的實驗室合作研究。他們用高能量雷射去撞擊使碳變成氣體,十幾天的實驗發現一些碳灰有 60 個碳原子(主要成分),同時有少量有70個碳原子。經過光譜分析,這些 C60 與 C70 都接近圓球狀,而且是由許多五角環和六角環拼湊成的。

掌聲回響

沒有念完哈佛大學學位而成名的人,除了富勒之外還有很多人,如世界首富的蓋茨(Bill Gates,微軟公司的總裁)、蘭特(Edwin H. Land,拍立得(Polaroid)公司總裁,1970 年代暢銷拍立得照相機的發明者)等。雖然富勒不是建築專業出身,但他難能可貴地能無師自通創出一個新的建築模式。

他的作品相當多,最有名是 1967 年蒙特婁世界博覽會的美國館,是一座泡型圓頂建築,目前是蒙特婁市的生物博物館。它的特點是廣闊,館內沒有梁柱支撐,外殼是由多角形鋁管連接起來的。其他如聖路易斯市密蘇里植物園中熱帶植物館的泡型圓頂建築,就是根據福勒的原理設計的,這個泡型圓頂建築在 1976 年被選為全美最有特色的一百建築之一。

1965 年,富勒在巴黎舉行的世界建築聯盟大會上,提出世界設計科學的  10 年推廣運動(World Design Science Decade, 1965~1975)時說:「我們要應用科學的原理來解決人文的問題,尤其是建築設計。」富勒一生有 28 個專利,也獲頒多個榮譽博士學位,1970年得到美國建築學院(American Institute of Architects)的金牌獎。2004 年 7 月 12 月,美國郵政局發行郵票,紀念富勒泡型圓頂建築專利 50 周年和富勒 109 歲冥誕。

1985 年,庫爾、克洛托與史馬列發現碳六十分子,並經光譜驗證它是縮形多面體。這近圓球狀的化學結構,打破了傳統的平面多環芳香族的模型,開拓了一個新的化學領域。但碳六十的研究並沒有立刻興起,因為用雷射撞擊使碳變成氣體所得到的 C60 與 C70 的量極少。一直到1990年,有人用碳電極加高電壓而能量產,C60 的價格由 US$10/mg(一毫克 10 美元,比黃金還貴百倍)降到 $100/g,才引起科學家的研究興趣。

20 年來,有上萬篇的碳六十研究論文發表。十幾年來並帶來許許多多各種三維分子團的合成,如碳奈米管和其他奈米材料。碳六十有 12 個五角環及 20 個六角環連接,結構相當穩定,又有 30 個碳雙鍵。

科學家發現碳六十具有極高的自由基清除能力,但碳六十只溶解於有機溶液,不適合當醫藥用。筆者的實驗室嘗試以水溶性碳六十化合物來擄捕自由基,水溶性碳六十化合物是由臺灣大學化學系陸天堯教授實驗室合成的,自由基化學實驗在筆者的研究室進行,生物醫學實驗則在聖路易斯市華盛頓大學醫學院進行。我們發現這水溶性碳六十化合物有強大的自由基擄捕能力,尤其對腦神經細胞有保護功能,可以抵抗氧化壓力,避免自由基對神經細胞的傷害。論文已發表在《美國國家科學院學刊》,也申請到美國專利(本刊 2008 年 432 期,頁 48 - 53)。

深度閱讀
  1. Brown, D.E. (2002) Inventing Modern America: From the Microwave to the Mouse, pp.133-139, MIT Press, Cambridge, MA.
  2. Forbes, P. (2005) The Gecko's Foot, Bio-inspiration: Engineering New Materials from Nature, Chapter 9, The Push and Pull Building System, W.W. Norton Company, New York, NY.
  3. Smalley, R.E. (1992) Self-Assembly of the Fullerenes. Acc. Chem. Res, 25(3), 98-105.
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Buckminster_Fuller
  5. http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/index.html
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