波,真係圓嘅?

原載於:《文匯報》【科學講堂】專欄

(photo via cc Flickr user Awang Ma’lufie Fuad Jayalingga)

 

踢足球的人都知道,足球其實不是圓的。足球其實有32個面,其中12個是五邊形,另外20個是六邊形。我們稱它為截角二十面體。

 

柏拉圖立體與阿基米德立體

古希臘時期,幾何學家很喜歡對稱之美。柏拉圖立體(Platonic solids)或正多面體其實是一個凸多面體,這個凸多面體的每個面都是全等的正多邊形,而每個頂點所接連的面數目相同。

其後,歐幾里德在他的《幾何原本》中,證明了只有5個凸多面體(左圖)合乎這個原則,分別為正四面體(tetrahedron)、正六面體(cube)、正八面體(octahedron)、正十二面體(dodecahedron)及正二十面體(icosahedron)。

 

 

如果把柏拉圖立體截角、截邊或截半,可以得出阿基米德立體(Archimedean solid)。阿基米德立體亦是高對稱性的凸多面體,它與柏拉圖立體最大的分別,是它由兩種或以上的正多邊形組成。

阿基米德立體共有13種,其中一種就是截角二十面體(truncated icosahedron),擁有32個面,其中12個是五邊形,另外20個是六邊形,亦即是足球的形狀。

 

1985年模擬紅巨星化學反應時發現

足球的形狀看似是一個人為的形狀,而非自然界的形狀。直至1985年,萊斯大學(Rice University)的幾位科學家Harold Kroto、James R. Heath、Sean O’ Brien、Robert Curl及 Richard Smalley模擬紅巨星(red giant star)大氣層中的化學反應時,發現了由60個碳組成的C60碳分子,我們才知道,自然界其實也有足球狀。C60碳分子是一個空心的籠狀截角二十面體,直徑約為一納米大小。

 

 

形似1967年世博會美國館

其中3位化學家Kroto、Curl及Smalley於1996年因為發現了C60碳分子而取得諾貝爾化學獎,諾貝爾獎的評審委員認為「沒有物理學家或化學家可以預計到碳分子的形狀可以這樣高度對稱。」上月底,Harold Kroto爵士於76歲之齡過世。

C60碳分子一般稱為buckyballs或Buckminsterfullerenes 。這個名字取自建築師 Buckminster Fuller,因為buckyballs的形狀與這位建築師於1967年加拿大蒙特利爾舉行的世界博覽會中所設計的美國館(見圖)相似。故此,科學家們以他的名字命名C60碳分子,向他致敬。

 

 

小結

中學化學課程中,我們知道不同的晶體結構的碳分子,為不同的物質及擁有不同的特性。例如鑽石是立方晶體的碳分子,石墨是六角形呈蜂巢狀的薄膜。

現在我們學懂碳分子還可以是空心足球狀的,這個發現引領科學家朝新的方向研究有機化學(organic chemistry),以及認識空心狀的碳分子的特質,如超導現象、抗熱性等,並運用這些特點,設計新的納米物料及電子產品包括有機光電池(organic photovoltaics)。C60碳分子還可以作醫學用途如針對耐藥性細菌、癌細胞及愛滋病病毒,所以發現這個足球狀的碳分子,絕對能改善現代人類的生活。

 

 

作者:吳俊熙

吳俊熙
吳俊熙博士曾於加州的州立大學及香港大學教授化學,現於洛杉磯任助理教授。為四個大型科學普及活動的計劃總監,致力於推動本地科普:曾為無線電視時事節目《新聞透視》的訪問對象,講解食物安全;亦為有線電視節目《腦作怪》的嘉賓主持,從科學角度分析人類感知。曾到訪超過三十所本地及外國中學講授科學。網站:http://www.drbennyng.net/

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文章資訊

ID: 151430
Date: 2017-01-24 06:07:02
Generated at: 2020-10-28 04:40:56
Permalink: https://www.vjmedia.com.hk/articles/2017/01/24/151430/波,真係圓嘅?