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1、突破的故事科學發展 2010年10月，454期7170 科學發展 2010年10月，454期突破的故事小百科泡型圓頂建築是美國建築家富勒（Richard Buckminster Fuller, 18951983）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
2、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） 。富勒32歲時窮途末路，幾乎跳水自殺，但在剎那間想開。他的細心觀察和創新，以大自然的生態為模擬對象，開創泡型圓頂建築。30年後，科學家發現碳六十的結構是泡型建築的縮影，就把碳六十命名為富勒烯。泡型建築與碳六十 林天送 本系列介紹一些有趣的科技大發現與發明故事， 這些靈機一動的突破思維常帶來創新的工具、 方法、理論等，也促進了人類的
3、福祉。突破的故事創出泡型圓頂建築的富勒科學發展 2010年10月，454期7170 科學發展 2010年10月，454期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（19591970）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
4、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
5、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，透過庫爾的庫爾、克洛托和史馬列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。泡狀球的形態 左邊是三角形組成的，右邊則是由五角形與六角 形拼湊成的。A geodesic spher
6、e and its dual.突破的故事科學發展 2010年10月，454期7372 科學發展 2010年10月，454期科學發展 2010年10月，454期7372 科學發展 2010年10月，454期關係，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
7、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,
8、 19651975）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個專碳六十分子結構1967年蒙特婁世界博覽會的美國館聖路易市植物園中熱帶植物館的泡型圓頂建築，是根據富勒的 原理設計的。科學發展 2010年10月，454期7372 科學發展 2010年10月，454期利，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。
9、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
10、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台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）。深度閱讀資料Brown, D.E. (2002) Inventing Modern America: From the Microwave to the Mouse, pp.133-139, MIT Pr
11、ess, Cambridge, MA.Forbes, P. (2005) The Geckos Foot, Bio-inspiration: Engineering New Materials from Nature, Chapter 9, The Push and Pull Building System, W. W. Norton & Company, New York, NY.Smalley, R. E. (1992) Self-Assembly of the Fullerenes. Acc. Chem. Res, 25(3), 98-105.http:/en.wikipedia.org/wiki/Richard_Buckminster_ Fullerhttp:/nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/ laureates/1996/index.html林天送美國華盛頓大學（聖路易斯市）化學系水溶性的碳六十分子有潛力做為腦神經細胞的保護藥物
