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美伦美奂的穹顶建筑与材料的微结构
中科院的院士—郭可信 2002年03月15日 20：57
主持人：会当凌绝顶，一览众山小，圣凯诺·世纪大讲堂。早在1947年的时候，一位浙江大学的年轻毕业生，他飘洋过海，去了北欧的瑞典，随后经过九年的修炼取得真经，为把他自己塑造成日后的大名鼎鼎的材料科学家、晶体学家、电子显微学的专家，打下了厚实的基础，他就是瑞典皇家工程科学院的院士，也是中科院的院士郭可信教授，他今天已经是79岁的高龄了，但是今天还如约来到我们的现场。好，现在我们就有请郭教授上场。
主持人：郭教授今天带给我们的讲题是“美伦美奂的穹顶建筑与材料的微结构”，这个题目非常高深，为了把这个题目讲得非常通俗，也为了我们提前了解郭教授，我们先来一个家常的聊天。我听您说话是有东北口音。
郭可信：我年轻时候，“九·一八”之前，在东北差不多有十年。
主持人：为什么呢？
郭可信：我父亲在哈尔滨修铁路，我在那里长大的。
主持人：那是给日本人修铁路？
郭可信：不是。
主持人：那是给俄国人？
郭可信：不是，是给东北的粮食产大豆，松辽平原产大豆，当时很值钱，要运到大连、或者营口港口，所以他们在黑龙江北面修这个铁路、专门运大豆。
主持人：哦，是这样。“九·一八”以后就向关里逃难了？
郭可信：一直逃到天津，逃到天津以后，“七·七事变”又逃到重庆，所以，我抗战时期是在重庆念的，浙江大学内牵到贵州遵义，所以我是在遵义念的大学。
主持人：好，在遵义上的浙江大学，然后从那个地方飘洋出海。
郭可信：差不多。
主持人：到了瑞典，我又想起来，以前看过一篇文章，它谈论欧洲的女人，说这个法国的女人像水、瑞典的女人像山，有这么回事吗？
郭可信：大概一般人都知道瑞典出了两个很有名的电影明星，一个是嘉宝、一个是英格利·褒曼，这是瑞典名字了，这两个都是世界级的，哄动一时的。
主持人：我看她们也不像山呀，就像美人。
郭可信：是啊，所以一般人了解瑞典的女人，主要是从这两个人，看电影。
主持人：您在遵义的时候，那个浙江大学，学的是材料吗？
郭可信：学的化学工程。
主持人：到瑞典以后呢？
郭可信：学冶金，后来改学晶体学了。在我念大学的时候，还没有材料科学这个名称。
主持人：材料科学是什么时候开始有的？
郭可信：材料科学大概是70年代吧？
主持人：70年代开始有，那您回国呢？
郭可信：回国是1956年。
主持人：那这个时候您还没有开始材料科学这种研究吗？
郭可信：不，这种学科本身是存在的，只是名称在改变。过去的材料，像我学冶金的，学化工的，后来到瑞典，因为瑞典的合金钢比较好，就改学冶金。后来又做晶体学的研究，那个时候的材料以金属为主，后来就发展到陶瓷也很重要，玻璃、陶瓷也很重要，后来是高分子也很重要，等到了70年代，就把这三个从美国起就捏在一起，叫材料科学。
主持人：听到您的题目，您是不是不是要给我们讲，我们能看到的那些建筑材料，而是要给我们讲这些材料内部的一些非常细微的东西。
郭可信：对，宏观的，像我讲的宏观的穹顶建设，它是靠一些立体几何，特别是我们叫多面体结构来建造的，但是我们到微观、到原子尺度，甚至纳米尺度，甚至到原子尺度，原子排列也是按照这个多面体规则排列的，所以，尽管穹顶建筑可以大到直径到几百米，而原子小到几个纳米，一米是一千万个纳米，但是它里面内部的结构原理是一样的，这也是我今天要讲的。
主持人：这眼睛得多么好，才能研究那么小的东西。
郭可信：那现在我们有电子显微镜，都看得到。
主持人：您还是这方面的专家。好，咱们长话短说，就立刻进入到咱们正式的演讲，讲演的题目叫“美伦美奂的穹顶建筑与材料的微结构”。好，有请郭院士。
郭可信：我们知道穹顶建筑非常美，所以很多教堂，像圣彼得大教堂，还有耶路撒冷圣殿的清真寺都是穹顶建筑。现在的建筑，一些有名的建筑也用穹顶。比如美国的国会山上的国会建筑，但是穹顶建筑，它因为是球面的或者是接近球面的，所以它建造起来，既费工，又费时，又费料，因此后来就有人想到，我们能不能用一种近似的方法，近似的球面的方法来做这种建筑。
那么，我这里画的是个球，球面，那些顶点都在球面上，我是用一些黑线画出这些三角形来，但是我不用表面上的弧线，而用两点间直线最短来建造这个建筑，所以它叫最短线的穹顶建筑，就是把球面上的一些弧线，都换成两点间最短的直线。那么，我们这个三角面组成的球面，或者三角面组成的多面体，它里面总共有十二个五角面，根据“尤拉定律”，一个球至少要有十二个五角面。我这里还画了一个淡紫色的六角面，六角面可以大于一个，可以任意数，几百个、几千个都行，但是五角面只能有十二个，一个球面，那么半球，只有六个。所以这两个差别，过去的穹顶结构是球面，现在我们新的穹顶结构是个近似的球面，是个多面体的这些面，不是三角面就是五角面，或者六角面。
那么下面我们就看一看，它的几何原理，这个发明人叫富勒，他姓富勒，名字叫Buckminster，他在1954年申请到最短线穹顶结构专利，这个有三角形面，但是大家主要看它就是五边形和六边形构成的一个蒙古包一样的东西，还开了一个门，这是它最简单的，就是由一些五角面和一些六角面搭出的一个包。这样它有什么好处呢？它就可以用铝管或者钢管，甚至在个别地方它用竹管，切成这么长，然后用接头，把它两面拴起来，然后上面蒙上一个有机布，尼龙布，就有点像我们现在农业的塑料大棚一样，只不过我们现在的塑料大棚是半个圆柱面，而它是接近的半个球形，这个他在1954年得到了专利。
下面我就讲一讲这些的道理。最左面的我们叫做“柏拉图正多面体”。那么，我知道柏拉图活在2500多年前，他总结出只有五种多面体正多面体。什么叫正多面体呢？就是正的三角面，正的四方形，或者正的五角面，围起来，围成的一个多面体。那么我们用三角面围呢，只能围出一个二十面体，就是二十个正三角形，围出这么一个来，它的特点呢？就是每个顶点，就是五重顶点。什么叫五重顶点呢？就是你看那个顶点，它是由五个正三角形的顶点汇聚在一起，成的一个五重顶点，它的三角面是正的，它的五角的五重顶也是正的，都是一样的，所以叫做正多面体，这个是正多面体，假如我们在正多面体的棱的三分之一处，把它切一刀，那也就是我们那里画的红线了，把十二个顶点都切去，就得出我们最右面那个，十二个五角面或者五边形，那么切剩下的，原来的大三角面，把这三个角切去了，就切出一个正六角面。所以截顶，也就是把那个顶点截出去之后，我们得到一个截顶二十面体，里面有十二个正五角面，二十个正六角面，这个五角面和六角面还都是正的，正五边形，正六边形，但是那个顶点就不是正的了，因为每一个顶点有一个正五角面，有两个正六角面，所以它是三重轴，但是它不是一个对称的了。这个就是阿基米德他首先发现的，叫半正多面体，就是它这个面还是正的五角面或者六角面，但是它那个顶点就不是正的了。
下面我们主要讲这些三角面、六角面、五角面。这个就是富勒1956年，在阿富汗国际商业展览会时候，盖的美国的穹顶展览馆，这里面据说有这么一个故事，当时美国不想参加，但是后来发现苏联和中国在喀布尔都准备建一个大的展览馆。美国商业部因此就不甘示弱，但是离开会只有一个月了，没有承包商说，我在一个月能盖个展览馆，而这富勒说我有办法，我用穹顶建筑，它花了一些时间，把480根三寸的铝管，三英寸的铝管切好了，然后做上接头，总重量不到五吨，一架C3的运输机就从美国把这个运到喀布尔，然后当地不懂得穹顶建筑的功能，就把它安装起来，为什么呢，他就把不同的接头，画成不同的颜色，油漆上不同的，红的、绿的、蓝的、紫的，工人只要把不同的颜色铝管都在一个接头接起来，就搭起来了，两天就搭起来。
那么我们下面看一看，很美观，就是美国金属协会的办公楼，美国金属协会是一个很大的企业，这个办公楼，大家看到隐隐约约的，它是十几层的办公楼，两座，他用一个整个的穹顶建筑把它包起来，十几层楼应该有三十米，所以这个高度超过一百米，那么底座更大，两三百米，我们下一个可以看看它的穹顶，这个顶基本是六边形的，里面再加上点钢丝，但是它因为很大了，我只照了它一部分，一个半球总要有六个，它假如是不到半球，它也有几个正五边形。现在只能看到一个大半球，很美，这是美国在1967年，在加拿大蒙特利尔的世博会上的建筑。这个请大家注意，碳60就是受到这个穹顶建筑的启发而定下来的，这是一个很高的，很美的建筑。
下面我们再看，这是我们大连，现在在国内也推广这种建筑，大连最繁华的地方，友好广场也盖了一个几十米高的这种球，最后Buckminsterfuller出了名了，所以TIME，大家看见上面，就是《时代周刊》，在1966年把他作为封面人物展示，他的头上就是半个穹顶建筑。
下面我们就讲物质的微结构，我不是讲材料，原来是材料，可能这里面有不少材料，但是我把病毒也包括进来了，这些物质的微结构，一般都是一个纳米到几十个纳米大小，病毒大一点，病毒的直径几十个纳米，我画了，有的是五角面，红的，更多的是六角面。所以病毒里面的蛋白质的一个球形结构和几百米大的穹顶结构是一样的，也是三角面、五角面、六角面构成的，因此它在研究病毒球面结构的时候，在1962年，富勒到他儿那去参观，跟他讨论了，他得到启发，所以他在1962年以后，就逐渐逐渐完善了病毒的模型。到了1995年，我们有位中国的科学家，科技大学学化学的周正红教授，他在美国拍出疱疹病毒的电子显微像，那么他发现这个疱疹病毒也是五重轴，我画一个三角面，三角面三个顶点，可能看不清，是五个瓣，五瓣的。那么，下一个就看得清楚一点，这个就是再放大了，最左上角就是病毒的五个瓣，实际上是五个相同的蛋白质的结合，那么这里是五重对称，什么意思呢？就是每转72度它重复一次，我们叫做五重对称，这个是从上面看下来，我们从侧面看，那就是最右面那个，你看它里面是空的，就是侧视了，刚才看的俯视，你看看它里面是空的，中间那个五个都在，把里面空洞挡住了，他用图象处理办法，把前面的拿掉，把后面两个拿掉，只看两个，那么中间是一个通道。左下角是这个通道的塞子，一个小小的病毒的构造还是蛮复杂的、也蛮有趣的。通道不要用的时候，用这个塞子塞上，那么我们就要想办法把这个塞子拿掉，然后把药从五重通道给它送进去，那么就可以把病毒杀死。病毒它要繁殖呢，它也是在内部，把它调整好了，然后从这五重通道跑出来，所以它那个塞子是能够开，能够关的，所以对病毒的研究，我们现在主要的是要防治它，要防治它，我就要把病毒的球形的衣壳的结构搞清楚。
现在讲第二点，就是碳60的分子球笼。左边的是英国人叫Kroto，他是个天体化学家，我们知道宇宙里面有个碳星，那么碳星就要发出碳氢化合物来，所以天体化学家，他可以在宇宙里面找到碳氢化合物，他为了研究天上的碳星化合物，他在实验室里合成一些碳氢化合物和天上的对比，他合成到十个碳原子的时候，就再也做不下去了，因为他的激光器的能量不够。他也是一个天体化学家，在美国Rice大学，叫科尔， 就是那一排字最后Curl，科尔也是天体化学家，科尔就说，在我们Rice大学，有个最右下角那个叫Smalley ，Smalley研究金属的原子团，金属原子要比碳原子重得多，因此你要轰击它，你要能量大得多，他说斯马瑞建了一个很大能量的激光器，你到他那儿去做，所以科尔起了个中介作用，那么左边的Kroto就到Smalley那里去，Smalley说我只给你两个礼拜的时间，我这个机器很忙，他就带了两个研究生，一个叫Heath，一个叫O'Brien这都是美国的研究生了，做实验，就发现了有碳60的分子，这个Kroto他本人也很喜欢艺术，他曾经到过蒙特利尔世博会上，看到过那个穹顶的大球，于是呢，他当时还做了个结构，就是我下面挨着他那个，那是他回家以后，做的一个由五角面、六角面合成的一个截顶二十面体的球，他在讨论会上，他们讨论到五六点钟，他就说，我家里有那么一个球，但是我忘记了有多少个顶点，可能是六十个，那么六十个碳原子正好座落在六十个顶点上，这时候他们就说了，因为美国、英国时差有五个小时，他说，那儿已经半夜了，他说我打电话，说你不要打电话吵他们，Smalley就跑到图书馆里去，查到了Buckminsterfuller的书，就发现里面有这个结构，于是他连夜就剪了一些纸板，五角形的，六角形的。然后就用胶带把它胶起来，你看，有的还是双键，因为碳是四价的，一个碳原子和两个碳原子结合，就去掉两价，跟另外一个碳原子，我非得双键不可，那么有机化学里面，碳原子双键的结合，叫做烯。因此呢，后来他就起个名字，整个名字叫Buckminsterfullerene，烯的有的化学英文里的末尾ene，于是他们就决定了，管碳60的分子叫Buckminsterfuller，就是这个人的名字，名和姓，然后再加上ene，ene就是烯，所以叫做富勒烯，像我刚才讲的，也有人管它叫布基球，因为Buck，是他们家里讲的，亲热一点吗，所以叫布基球，学术上名字我们说是碳60球笼，因为它是像个球，一个笼子一样，所以这是跨大西洋的合作。十四天，产出非常好的结果。这就是他们的模型，一个球五边形、六边形，五边形他给它画成一些虚线，表示五边形，然后中间有双键，实际上这就是一个跟足球没有什么差别，因此管它叫碳60球或者是布基球。
下面我们再看，他这两周的工作，投到Nature上，不到十天就发表了，那么Nature，Science还有德国相应的杂志，还有Newscientist英国的，立刻在封面上报道了这个成果，这个成果是非常大的。因为这个球出来之后，就开辟了碳60化学，我们知道碳有三种，过去知道碳有两种，一种是金刚石，非常美的，但是它是无机结构。第二种是石墨，石墨就是苯环，一个平面都是苯环，苯环就是六角的了。所以，这两种结构，那苯环是有机化学的基础了，现在突然出了个碳60，是个球，新的，是碳的第三种形式，因此就出了碳60化学，就跟过去有过无机化学，有机的苯化学，现在出了一个碳60化学，这个笼子，碳球，里面是空的，你可以把很多东西放进去，它可以变成超导，你换另外一种东西放进去，它也可以变成绝缘体，然后外面可以长东西，在电子显微镜里面可以看见，你看最下角是最早的，有那么一圈、两圈，一圈差不多就是一个纳米，后来又长出几圈来，右下角又长出一圈，左上角又长了两圈，最后长到最右面，长了多少个圈，所以有人管它叫“纳米葱”，就有点像洋葱一样，一层一层剥开。1991年，一个日本的科学家叫饭岛·Iigima，它叫长出碳管来了，一个红的管子，六角面的，这个碳管，实际上是有道理的，就是我一个六角面，我可以把它围成一个圆筒再接起来，就是这个。你要是圆筒这面，把它再加个罩，半球罩，那又是五边形，这个圆柱面上可以都是六边形，这个现在属于纳米电子学，纳米科学，纳米碳管是起主导作用，因为最里面红的，不到一个纳米。你可以做一个电极发射，它是中空的，里面你可以充上不同的金属，它也可以充进氢，所以它现在吸氢的效率，比已知的任何的吸氢材料都高。
下面讲第三方面，就是二十面体准晶体，它更小，它里面的五边形是半个纳米。讲到晶体，我们就多说几句，我们知道三角形，三角形的砖我可�