「あなたが見つけたのはフットボールです！」

著者：劉敦

1985 年 9 月のある日、英国サセックス大学のハロルド・クロトは、テキサス州ライス大学への短い訪問を終えようとしており、出発前に数人のアメリカ人の同僚を送別夕食会に招待しました。夕食の席での会話の話題はただ一つ、「60 個の炭素原子からなる原子クラスター C60 は存在するのか?」でした。もしそうなら、その構造は何ですか?クロト氏とゲストたちはナプキンにさまざまな立体図形を描いたが、結果は決定的なものにはならなかった。

過去1年ほど、クロト氏はロバート・カール氏、リチャード・スモーリー氏、およびライス大学の他の研究者らとともに、ある種の大きな炭素分子の構造の調査に専念してきた。実験チームは、スモーリーが発明したクラスター発生器を使用して、C60 および類似の炭素原子クラスターのマイクロ波信号を検出しました。これらの信号は、クロトが電波望遠鏡を通じて宇宙の特定の領域で捉えた信号と非常によく似ています。問題は、これほど多くの炭素原子がどのようにして結合して安定した構造を形成するのかということです。人々は自然に、炭素の最も一般的な 2 つの形態であるグラファイトとダイヤモンドを思い浮かべます。グラファイトは六角形に配置された炭素原子の多くの層で構成されています。基本的な六角形構造を持つ大規模なネットワークを（圧力、温度の変化、または不純物の添加を通じて）曲げて球形の物体を形成することは可能ですか?当初、クロト氏らはこのような考え方に沿って考えていました。しかし、その日の夕食時に、彼は突然、サセックスの自宅にある段ボール製のおもちゃのことを思い出した。それはその年に息子のために買った星空模型だった。そこには六角形だけでなく五角形もあったことを彼は漠然と覚えていた。

一時的に滞在していたコールの家に戻ると、クロトは再びおもちゃのことを思い出し、妻に電話して星空の頂点がちょうど60個あるかどうかを数えてもらうかどうか迷った。コールは、イギリスではちょうど夜明けだったし、そんな偶然はあり得ないことだから、妻の甘い夢を邪魔しないでくれと忠告した。

夕食会に出席したもう一人の構造化学者、ジェームズ・R・ヒースとその妻も怠けてはいなかった。家に帰る途中、彼らは食料品店でグミベアと爪楊枝を一袋買いました。家に帰ると、彼らはすぐにでも模型を作りたくなってしまいました。彼らはグミベアを使って炭素原子を表現し、つまようじを使って結合を表現しました。彼らはまずグラファイトの基本構造に似た六角形を配置し、次に閉じた構造を構築しようと懸命に努力したが、うまくいかなかった。

スモーリー氏は最も実践的な人物だった。帰宅後、しばらくパソコンをいじっていたが、やはり分からないままだった。その後、彼はペン、紙、はさみ、のりを取り出して、子供向けの工作を始めました。彼はまず、合同な正六角形をいくつか切り取り、それらを端から端まで接着して閉じた球形構造を作ろうとしましたが、結局これは不可能だと気づきました。真夜中を過ぎていたが、スモーリーはだんだん眠くなってきた。彼は冷蔵庫からビールを一瓶取り出し、それを飲んだ後、突然クロトが言っていたおもちゃの模型を思い出した。そうだ、五角形を試してみればどうだろう？彼は同じ辺の長さの正五角形をたくさん作り、また作業を始めました。彼は五角形から始めて、各辺に六角形を接着し、紙の構造は簡単に上向きに曲がってボウルの形になりました。この時点でスモーリーは勇気づけられ、この組み合わせを繰り返すことができるという漠然とした予感を抱きました。次に、ボウルの縁の周りに 5 つの五角形と 5 つの六角形を追加して、半球形を作成しました。その後、彼はさらに五角形と六角形を追加し続け、各五角形の周囲に 5 つの六角形のパターンを常に維持し、最終的に球体に近い完璧な多面体構造を作成しました。正五角形は 12 個、正六角形は 20 個あります。はい、これが C60 の構造です!

翌朝、スモーリーは傑作を大学に持ち込み、途中でチームメンバー全員にオフィスに来るように呼びかけました。彼が徹夜で作った紙のボールをコーヒーテーブルに投げたとき、皆はびっくりしました。クロトさんは自宅の星空模型がこんな感じだと確認した。慎重なコールは、モデル上の各炭素原子が結合条件を満たしているかどうかをテストし始めました。結局、これが彼らが探していた新しい炭素分子構造であることに全員が一致して同意しました。

左: スモーリーの C60 の紙製モデル。クロトとコールは、各炭素原子が結合要件を満たしているかどうかを確認するために、二重結合を示すラベルをこのモデルに貼り付けました。右：数万キロ離れたクロトの自宅に保管されていた多面体の星型ドーム教材は、後にスモーリーのモデルと全く同じものであることが判明した。

数学者なら、そのような完璧な対称性を持つものを知っているはずです。スモーリーは数学科長のヴィコに電話すべきだと考えた。モデルの構造を説明した後、ヴィコ氏から電話で祝福の言葉をもらった。彼は老人だったのかもしれないが、こう付け加えた。「子供たちよ、君たちが見つけたのはフットボールだよ！」実際、これらの化学者がもっと早く数学者に相談していれば、回り道は少なかったかもしれない。なぜなら、多面体に関するオイラーの公式によれば、完全に六角形で構成される凸多面体は存在しないからだ。 [付録: もし数学に詳しい別の歴史家を見つけることができれば、彼は次のように言うかもしれません: 2 つ (または 3 つ) の合同な正多角形によって形成される多面体は、半正多面体と呼ばれます。古代ギリシャのアルキメデスが全部で13種類の半正多面体を発見したと言われている（プラトンやその流派が全部で5種類の正多面体があることを知っていたのと同じように）ので、「アルキメデスの多面体」と呼ばれています。 C60の構造もアルキメデスの体です。 ]

それを指摘されると、皆は笑うべきか泣くべきか迷ってしまった。はい、現代のサッカーボールは 20 個の (白い) 六角形と 12 個の (黒い) 五角形で構成されており、頂点はちょうど 60 個あります。ヒースは興奮して近くのスポーツ用品店に走って行き、本物のフットボールを持ち帰りました。偶然にも、その日は彼の誕生日でした。議論の末、全員がクロトの提案を採用し、新しい分子を「フラーレン」と名付けることに決めました。これは、アメリカの建築家バックミンスター・フラーのグリッドドームの設計が議論のインスピレーションとなったためです。

1967 年モントリオール万国博覧会のアメリカ館に建てられたフラーのドーム

1996年、クロトー、カー、スモーリーはフラーレンの発見によりノーベル化学賞を受賞しました。彼らの貢献は、フットボール型フラーレン C60 の存在の発見とその構造の決定だけでなく、「球状化学構造」の研究に新たな方向性を開いたことでもあります。 C60 は、巨大なフラーレンファミリーの 1 つにすぎません。ますます多くのフラーレンが研究室で発見または生産されています。フラーレンとその誘導体は、超伝導、ナノ材料、「大型炭素構造」の設計、ウイルス学などで広く使用されており、宇宙進化の理論にも強力な裏付けを与えています。

左から右へ：クロト、コール、スモーリー

1985年11月のネイチャー誌の表紙には、コール、クロト、スモーリーがC60フラーレンを発見したことが報じられた。

これらはすべて、『完璧な対称性』（バゴット著、李涛・曹志良訳、海科技教育出版社発行）という本に書かれた物語です。

この記事はもともと2018年8月30日にSouthern Weekendに掲載され、著者の許可を得て若干の修正を加えてFanpuに掲載されました。

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