沈海軍

碳富勒烯指的是一類由碳原子組成的籠狀分子，它是繼金剛石和石墨之后人類發(fā)現(xiàn)的碳元素的第三種形態(tài)。碳富勒烯最早是由英國(guó)化學(xué)家克羅托博士于1985年發(fā)現(xiàn)的，為此，他獲得了1986年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

和納米碳管一樣，碳富勒烯也是納米科技中的明星分子，它們可分別包含24個(gè)、42個(gè)、60個(gè)、70個(gè)、80個(gè)……碳原子?，F(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)，包含60個(gè)碳原子的碳60富勒烯分子化學(xué)穩(wěn)定性最好。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，這種結(jié)構(gòu)的分子備受關(guān)注。

為什么此種籠狀碳分子被稱作富勒烯呢?這還要從一座著名的建筑說(shuō)起。

1967年，世界博覽套在加拿大蒙特利爾舉行。此次世博會(huì)上，美國(guó)萬(wàn)國(guó)博覽館的拱形圓頂設(shè)計(jì)輕巧精美，引起了人們的關(guān)注。承擔(dān)此次設(shè)計(jì)任務(wù)的正是美國(guó)建筑業(yè)設(shè)計(jì)天才巴克明斯特·富勒。受到了該富勒形圓頂薄殼建筑(如上圖所示)的啟發(fā)，克羅托博士構(gòu)思出了這些籠狀碳分子的分子結(jié)構(gòu)。因此，這種籠狀碳分子就被命名為碳富勒烯。

后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，碳60富勒烯分子的結(jié)構(gòu)確為球形32面體，它是由60個(gè)碳原子以20個(gè)六元環(huán)和12個(gè)五元環(huán)連接而成的——這居然和我們踢的足球一模一樣，所以，碳60富勒烯也被稱為足球烯。

碳富勒烯的中空結(jié)構(gòu)和完美的對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起了人們無(wú)限的藝術(shù)退想?，F(xiàn)在，借鑒碳富勒烯的結(jié)構(gòu)，人們不僅設(shè)計(jì)了各種與富勒烯外形相似的屋頂、小孩玩具與小飾品、裝飾圖案、標(biāo)識(shí)／徽標(biāo)，而且開展了諸多以富勒烯為主題的聯(lián)想藝術(shù)創(chuàng)意、分子拼圖、計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)、室內(nèi)裝璜、室外造型設(shè)計(jì)等。此外，在富勒烯的理論模擬與實(shí)驗(yàn)制備過(guò)程中也得到了許多令人賞心悅目的“富勒烯花”、“富勒烯樹”等納米藝術(shù)作品。

總之，碳富勒烯藝術(shù)已經(jīng)成為納米藝術(shù)的重要組成部分。

碳富勒烯分子構(gòu)型與模型

碳60富勒烯分子具有中空的籠狀結(jié)構(gòu)、高度的立體對(duì)稱性。因此，不管我們是在量子化學(xué)軟件中建模也好，還是在化學(xué)教學(xué)中制作教具也好，最終以可視化方式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，或者呈現(xiàn)在我們眼前的，往往會(huì)是一個(gè)看似精巧而又不俗的“藝術(shù)品”(圖1)。

類富勒烯玩具與飾品

由于富勒烯分子結(jié)構(gòu)精妙，因此，帶給玩具和小飾品商們以極大的靈感和商機(jī)。

如今，商家們將五彩的帶孔小球用繩子穿起來(lái)，構(gòu)成富勒烯狀，便產(chǎn)生了人見人愛的小玩具；當(dāng)然，將黃金做成富勒烯結(jié)構(gòu)耳墜，或在吃飯用的盤子底部印制上富勒烯花紋，往往也會(huì)提高商品的藝術(shù)品味。

建筑設(shè)計(jì)

自從1967年富勒在加拿大蒙特利爾為美國(guó)萬(wàn)國(guó)博覽館設(shè)計(jì)了圓形薄殼頂部以來(lái)，各種具有球形的富勒烯狀屋頂?shù)慕ㄖ映霾桓F，花樣不斷翻新。圖2(a)為某博物館門前的富勒烯入口，該入口貌似半個(gè)扣在地上的富勒烯分子，入口墻壁由若干多邊形組成，每個(gè)多邊形平面上安裝有玻璃，富勒烯入口墻壁上的“碳一碳”鍵框架則構(gòu)成了安裝玻璃的窗框。該建筑的特點(diǎn)是采光充分，簡(jiǎn)潔大方。

圖2的另外兩幅圖分別為美國(guó)堪薩斯州南部的一處火車加油站和一處民居。它們的共同特點(diǎn)都是具有球形的屋頂?，F(xiàn)在，該加油站已被拆除，它是當(dāng)時(shí)(1958年)世界上最大的球形屋頂建筑。

富勒烯及其衍生物聯(lián)想創(chuàng)意

由于碳富勒烯具有中空的結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)物理、化學(xué)方法，可在其內(nèi)部添加原子或小分子；當(dāng)然也可通過(guò)加成化學(xué)反應(yīng)在富勒烯表面添加各種原子或分子基團(tuán)。這些方法都可以得到碳富勒烯衍生物?；诟焕障?，或者這些富勒烯衍生物的模型，加上聯(lián)想，也可進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作。

圖3為幾幅富勒烯與富勒烯衍生物的聯(lián)想作品。圖3(a)是一個(gè)內(nèi)部填充了某種原子的富勒烯模型，給其加上背景、星光，就成了一幅“星夜”畫面；圖3(b)則是一幅荷花圖，荷花為一個(gè)個(gè)粉色的富勒烯分子，淺色和深色的背景分別為荷葉和水面；圖3(c)則是一幅“木星及其衛(wèi)星”的畫面，該畫以木星的望遠(yuǎn)鏡照片為背景，用幾顆富勒烯球作為木星的衛(wèi)星；圖3(d)則是兩個(gè)富勒烯衍生物，它們酷似帶光環(huán)的木星及剛采摘的菠蘿。

富勒烯與SPM納米藝術(shù)

SPM(掃描探針顯微鏡)是納米科技的重要儀器。利用它不僅可以觀察原子和分子，而且也可以操縱原子或分子。事實(shí)上，SPM也是人們納米尺度藝術(shù)創(chuàng)作的“眼”和“手”?，F(xiàn)在，科學(xué)家不僅能夠使用SPM搬動(dòng)富勒烯分子拼成各種各樣的文字、圖形，還可以用其在硅等材料基體上“繪制”出像富勒烯分子模型這樣的納米圖案。

圖4為世界上第一個(gè)體積最小、人眼難以看見的納米算盤。該算盤是1995年美國(guó)IBM公司的科學(xué)家用掃描探針顯微鏡繪制的，每個(gè)算盤珠子都是一個(gè)碳60分子，直徑不到百萬(wàn)分之一毫米。納米算盤的框架是用銅原子筑成的“堤壩”；然后按10個(gè)碳60分子為一列，排成數(shù)列?！暗虊巍敝g的溝就起到了類似軌道的作用。撥打納米算盤用的是掃描探針顯微鏡的探針，該針尖的粗細(xì)一般只有數(shù)個(gè)原子大小。當(dāng)精密控制的探針接近算盤珠時(shí)，算盤珠會(huì)前后移動(dòng)，進(jìn)行“計(jì)算”。

圖5為柏林自由大學(xué)科學(xué)家使用掃描探針顯微鏡在硅表面繪制的富勒烯圖案。繪制該圖案時(shí)，掃描探針顯微鏡探針被施加強(qiáng)電壓，在空氣環(huán)境中，強(qiáng)電壓誘發(fā)硅表面氧化，氧化后得到的氧化硅線條便在硅表面上構(gòu)成了直徑僅為1微米左右的富勒烯足球圖案。

計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)中的富勒烯

納米科技使得微觀機(jī)器從底部設(shè)計(jì)到最終生產(chǎn)出真正的產(chǎn)品成為可能。計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)軟件就是一個(gè)實(shí)現(xiàn)上述美好愿望的重要工具。計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)軟件是近幾年來(lái)才出現(xiàn)的新生事物，可以用來(lái)最大程度探索和實(shí)現(xiàn)納米器件的各種靈感——從概念到商品化的開創(chuàng)性嘗試。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)軟件，用戶可以對(duì)納米器件進(jìn)行構(gòu)建、瀏覽、模擬、分析與設(shè)計(jì)，了解所設(shè)計(jì)納米器件的各種物理、電學(xué)、生物、光學(xué)特性，獲取納米器件從微觀尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。事實(shí)上，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)也已成為納米藝術(shù)作品創(chuàng)作的一個(gè)重要途徑。

富勒烯分子具有高度的空間對(duì)稱性，因此常在分子器件設(shè)計(jì)中被用作軸承的滾珠、豐輪等。

有人使用某計(jì)算機(jī)輔助納米工程軟件設(shè)計(jì)了分子機(jī)器和分子萬(wàn)向節(jié)。在該分子機(jī)器與和萬(wàn)向節(jié)的設(shè)計(jì)中，球狀富勒烯分子都被用作滾珠。還有科學(xué)家用另外一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助納米工程設(shè)計(jì)出了分子車。這輛分子車行進(jìn)在銅晶面上，地面上每一個(gè)圓球代表一個(gè)銅原子，每個(gè)車輪都由一個(gè)碳60富勒烯分子構(gòu)成。

理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究中的富勒烯藝術(shù)

當(dāng)我們使用分子動(dòng)力學(xué)、量子化學(xué)等軟件對(duì)富勒烯進(jìn)行分子構(gòu)型、靜電勢(shì)等理論模擬，或者采用自組裝等試驗(yàn)技術(shù)制備碳富勒烯時(shí)，常常也會(huì)得到許多絢麗的藝術(shù)景象。

科學(xué)家采用分子動(dòng)力學(xué)軟件模擬富勒烯和蛋白質(zhì)作用時(shí)得到了富勒烯花朵圖像；另有些人則在采用量子化學(xué)軟件理論分析富勒烯時(shí)得到了富勒烯周圍的靜電勢(shì)，電場(chǎng)環(huán)繞的富勒烯儼然像一個(gè)帶光環(huán)的“星球”。

室內(nèi)裝飾與室外造型

現(xiàn)在，富勒烯造型不僅被設(shè)計(jì)師們用來(lái)裝飾室內(nèi)，而且也用于設(shè)計(jì)室外藝術(shù)造型。人們不僅可以用富勒烯框架模型來(lái)增加場(chǎng)館的科技氛圍，還可以用富勒烯造型繪畫裝飾辦公室的墻面。

除了上面提到的這些以外，還有一些其他形式的富勒烯藝術(shù)形式(圖6)，比如，富勒烯狀的氣球、富勒烯狀的公用電話亭，以及胸前印有富勒烯圖案的文化衫等。