对称之美

沈海军

碳富勒烯指的是一类由碳原子组成的笼状分子，它是继金刚石和石墨之后人类发现的碳元素的第三种形态。碳富勒烯最早是由英国化学家克罗托博士于1985年发现的，为此，他获得了1986年的诺贝尔化学奖。

和纳米碳管一样，碳富勒烯也是纳米科技中的明星分子，它们可分别包含24个、42个、60个、70个、80个……碳原子。现在人们发现，包含60个碳原子的碳60富勒烯分子化学稳定性最好。因此，长期以来，这种结构的分子备受关注。

为什么此种笼状碳分子被称作富勒烯呢?这还要从一座著名的建筑说起。

1967年，世界博览套在加拿大蒙特利尔举行。此次世博会上，美国万国博览馆的拱形圆顶设计轻巧精美，引起了人们的关注。承担此次设计任务的正是美国建筑业设计天才巴克明斯特·富勒。受到了该富勒形圆顶薄壳建筑(如上图所示)的启发，克罗托博士构思出了这些笼状碳分子的分子结构。因此，这种笼状碳分子就被命名为碳富勒烯。

后经实验证明，碳60富勒烯分子的结构确为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的——这居然和我们踢的足球一模一样，所以，碳60富勒烯也被称为足球烯。

碳富勒烯的中空结构和完美的对称结构引起了人们无限的艺术退想。现在，借鉴碳富勒烯的结构，人们不仅设计了各种与富勒烯外形相似的屋顶、小孩玩具与小饰品、装饰图案、标识／徽标，而且开展了诸多以富勒烯为主题的联想艺术创意、分子拼图、计算机辅助纳米工程设计、室内装璜、室外造型设计等。此外，在富勒烯的理论模拟与实验制备过程中也得到了许多令人赏心悦目的“富勒烯花”、“富勒烯树”等纳米艺术作品。

总之，碳富勒烯艺术已经成为纳米艺术的重要组成部分。

碳富勒烯分子构型与模型

碳60富勒烯分子具有中空的笼状结构、高度的立体对称性。因此，不管我们是在量子化学软件中建模也好，还是在化学教学中制作教具也好，最终以可视化方式呈现在计算机屏幕上，或者呈现在我们眼前的，往往会是一个看似精巧而又不俗的“艺术品”(图1)。

类富勒烯玩具与饰品

由于富勒烯分子结构精妙，因此，带给玩具和小饰品商们以极大的灵感和商机。

如今，商家们将五彩的带孔小球用绳子穿起来，构成富勒烯状，便产生了人见人爱的小玩具；当然，将黄金做成富勒烯结构耳坠，或在吃饭用的盘子底部印制上富勒烯花纹，往往也会提高商品的艺术品味。

建筑设计

自从1967年富勒在加拿大蒙特利尔为美国万国博览馆设计了圆形薄壳顶部以来，各种具有球形的富勒烯状屋顶的建筑层出不穷，花样不断翻新。图2(a)为某博物馆门前的富勒烯入口，该入口貌似半个扣在地上的富勒烯分子，入口墙壁由若干多边形组成，每个多边形平面上安装有玻璃，富勒烯入口墙壁上的“碳一碳”键框架则构成了安装玻璃的窗框。该建筑的特点是采光充分，简洁大方。

图2的另外两幅图分别为美国堪萨斯州南部的一处火车加油站和一处民居。它们的共同特点都是具有球形的屋顶。现在，该加油站已被拆除，它是当时(1958年)世界上最大的球形屋顶建筑。

富勒烯及其衍生物联想创意

由于碳富勒烯具有中空的结构，因此通过物理、化学方法，可在其内部添加原子或小分子；当然也可通过加成化学反应在富勒烯表面添加各种原子或分子基团。这些方法都可以得到碳富勒烯衍生物。基于富勒烯，或者这些富勒烯衍生物的模型，加上联想，也可进行艺术创作。

图3为几幅富勒烯与富勒烯衍生物的联想作品。图3(a)是一个内部填充了某种原子的富勒烯模型，给其加上背景、星光，就成了一幅“星夜”画面；图3(b)则是一幅荷花图，荷花为一个个粉色的富勒烯分子，浅色和深色的背景分别为荷叶和水面；图3(c)则是一幅“木星及其卫星”的画面，该画以木星的望远镜照片为背景，用几颗富勒烯球作为木星的卫星；图3(d)则是两个富勒烯衍生物，它们酷似带光环的木星及刚采摘的菠萝。

富勒烯与SPM纳米艺术

SPM(扫描探针显微镜)是纳米科技的重要仪器。利用它不仅可以观察原子和分子，而且也可以操纵原子或分子。事实上，SPM也是人们纳米尺度艺术创作的“眼”和“手”。现在，科学家不仅能够使用SPM搬动富勒烯分子拼成各种各样的文字、图形，还可以用其在硅等材料基体上“绘制”出像富勒烯分子模型这样的纳米图案。

图4为世界上第一个体积最小、人眼难以看见的纳米算盘。该算盘是1995年美国IBM公司的科学家用扫描探针显微镜绘制的，每个算盘珠子都是一个碳60分子，直径不到百万分之一毫米。纳米算盘的框架是用铜原子筑成的“堤坝”；然后按10个碳60分子为一列，排成数列。“堤坝”之间的沟就起到了类似轨道的作用。拨打纳米算盘用的是扫描探针显微镜的探针，该针尖的粗细一般只有数个原子大小。当精密控制的探针接近算盘珠时，算盘珠会前后移动，进行“计算”。

图5为柏林自由大学科学家使用扫描探针显微镜在硅表面绘制的富勒烯图案。绘制该图案时，扫描探针显微镜探针被施加强电压，在空气环境中，强电压诱发硅表面氧化，氧化后得到的氧化硅线条便在硅表面上构成了直径仅为1微米左右的富勒烯足球图案。

计算机辅助纳米工程设计中的富勒烯

纳米科技使得微观机器从底部设计到最终生产出真正的产品成为可能。计算机辅助纳米工程设计软件就是一个实现上述美好愿望的重要工具。计算机辅助纳米工程设计软件是近几年来才出现的新生事物，可以用来最大程度探索和实现纳米器件的各种灵感——从概念到商品化的开创性尝试。通过计算机辅助纳米工程设计软件，用户可以对纳米器件进行构建、浏览、模拟、分析与设计，了解所设计纳米器件的各种物理、电学、生物、光学特性，获取纳米器件从微观尺度到宏观尺度的结构细节。事实上，现在的计算机辅助纳米工程设计也已成为纳米艺术作品创作的一个重要途径。

富勒烯分子具有高度的空间对称性，因此常在分子器件设计中被用作轴承的滚珠、丰轮等。

有人使用某计算机辅助纳米工程软件设计了分子机器和分子万向节。在该分子机器与和万向节的设计中，球状富勒烯分子都被用作滚珠。还有科学家用另外一个计算机辅助纳米工程设计出了分子车。这辆分子车行进在铜晶面上，地面上每一个圆球代表一个铜原子，每个车轮都由一个碳60富勒烯分子构成。

理论模拟与实验研究中的富勒烯艺术

当我们使用分子动力学、量子化学等软件对富勒烯进行分子构型、静电势等理论模拟，或者采用自组装等试验技术制备碳富勒烯时，常常也会得到许多绚丽的艺术景象。

科学家采用分子动力学软件模拟富勒烯和蛋白质作用时得到了富勒烯花朵图像；另有些人则在采用量子化学软件理论分析富勒烯时得到了富勒烯周围的静电势，电场环绕的富勒烯俨然像一个带光环的“星球”。

室内装饰与室外造型

现在，富勒烯造型不仅被设计师们用来装饰室内，而且也用于设计室外艺术造型。人们不仅可以用富勒烯框架模型来增加场馆的科技氛围，还可以用富勒烯造型绘画装饰办公室的墙面。

除了上面提到的这些以外，还有一些其他形式的富勒烯艺术形式(图6)，比如，富勒烯状的气球、富勒烯状的公用电话亭，以及胸前印有富勒烯图案的文化衫等。