Рассмотрим каркасную структуру, наверняка знакомую Вам по игровой площадке во дворе (см. рис.).
1. Если мысленно «достроить" ее до высокосимметричного выпуклого многогранника X так, что вершины, в которых сходится по 5 ребер, будут вершинами икосаэдра, то сколько вершин ребер и граней будет в X?
2. Если построить новый многогранник Y так, чтобы его вершины лежали в центрах треугольников X, будет ли Y отвечать какому-либо фуллерену? Если да, то какому? Ответ обоснуйте.
3. «Удалим» из X все вершины, в которых сходится по 5 ребер (получим многогранник Можно ли из дополнительно «изъять» вершины так, чтобы итоговый многогранник Z отвечал фуллерену? Свой ответ обоснуйте. Во сколько раз число вершин Z будет отличатся от числа вершин Y?
Вершины многогранника X, в которых сходится по пять ребер (одновременно являются вершинами икосаэдра), образуют треугольники, каждый из которых составлен из 9 малых треугольников — граней X. Всего в икосаэдре 20 таких больших треугольников, следовательно, общее число треугольных граней в X равно
В свою очередь, общее число ребер составляет (каждая треугольная грань имеет три ребра, но каждое ребро принадлежит двум граням).
Общее число вершин можно рассчитать, воспользовавшись теоремой Эйлера для выпуклых многогранников:
число вершин (V) − число ребер (E) + число граней (F) = 2.
Тогда:
2. В многограннике Y вершины будут формировать пятиугольные и шестиугольные грани, сходящиеся в вершинах по 3, что полностью совпадает с определением фуллереновой молекулы.
Общее число атомов углерода в фуллереновой молекуле, которой отвечает многогранник Y, равно числу треугольных граней в X, то есть, в результате описанного преобразования получается фуллерен C180.
3. У представленного в условии каркаса можно выделить три типа вершин:
— A — сходятся 5 ребер (они же — вершины икосаэдра в X, удаляются при преобразовании в
— Б — сходятся 6 ребер; лежат на отрезке, соединяющем две ближайшие друг к другу вершины А (то есть, на ребре икосаэдра в X); в многограннике в них остается по 5 ребер, а, следовательно, они не могут быть удалены при преобразовании в Z;
— В — сходятся 6 ребер; лежат в центре треугольных граней икосаэдра в X, следовательно, могут удаляться при преобразовании в Z.
Чтобы получить многогранник, составленный из пяти- и шестиугольных граней, необходимо из удалить все вершины типа В. При этом оставшиеся в каркасе вершины типа Б дополнительно потеряют по два ребра, и в них будет сходится по три ребра, что отвечает определению фуллеренового многогранника.
То есть, вершинами Z будут вершины типа Б в X. Общее их количество равно числу ребер икосаэдра, умноженному на 2 (так как на каждое ребро икосаэдра приходится две таких вершины): Таким образом, многограннику Z отвечает фуллерен C60. Он содержит в три раза меньше атомов, чем отвечающий многогранинку YC180.