In november 1985 onthulden scheikundigen een molecuul met een ongeëvenaarde symmetrie – het buckminsterfullereen, of ‘buckyball’ – een ontdekking die de materiaalwetenschap een nieuwe vorm gaf en de makers ervan in 1996 de Nobelprijs voor de Scheikunde opleverde. Het verhaal van zijn ontstaan is een mix van serendipiteit, theoretisch inzicht en meedogenloze experimenten.
Het mysterie van interstellaire koolstofketens
De zoektocht begon in de jaren zeventig, gedreven door raadselachtige observaties van koolstofrijke moleculen in de interstellaire ruimte. Astronomen hebben meer lange koolstofketens ontdekt dan bestaande astrofysische modellen konden verklaren. De heersende theorie suggereerde dat afkoelende rode reuzensterren deze ketens in de kosmos verspreidden, maar het bewijsmateriaal bleef onvolledig.
De doorbraak van de Rice University
Het cruciale moment kwam op de Rice University, waar scheikundige Robert Curl een unieke laserverdampingstechniek had ontwikkeld. Door atomen van een metalen schijf met een laser te verdampen en ze vervolgens in een heliumwolk af te koelen, kon hij hun samenstelling analyseren. Harry Kroto, afkomstig van de Universiteit van Sussex, stelde voor om de metalen schijf te vervangen door grafiet – een pure vorm van koolstof – om de buitenste schillen van rode reuzensterren te simuleren.
De onverwachte gasten
Gedurende tien dagen in september 1985 repliceerden Kroto, Curl en Richard Smalley, samen met de studenten Sean O’Brien en Jim Heath, de lange koolstofketens die verwacht worden in de atmosfeer van sterren. Het experiment leverde echter onverwachte ‘ongenode gasten’ op: moleculen die precies 60 tot 70 koolstofatomen bevatten. Deze structuren waren kort waargenomen tijdens een eerder experiment bij Exxon, maar hun betekenis werd over het hoofd gezien.
De fullereenstructuur
Na dagen van nauwgezette analyse realiseerde het team zich dat het 60-koolstofmolecuul, C60, een buitengewone stabiliteit bezat. In tegenstelling tot een platte grafeenplaat, die zeer reactief zou zijn vanwege bungelende bindingen, was C60 opmerkelijk inert. De puzzel van de structuur ervan verteerde het team, dat zijn toevlucht nam tot low-tech modellering met tandenstokers, jellybeans en papieruitsparingen.
De erfenis van Buckminster Fuller
De doorbraak kwam toen Kroto zich de geodetische koepels van Buckminster Fuller herinnerde, bolvormige structuren opgebouwd uit in elkaar grijpende driehoeken. Smalley haalde het boek van Fuller over dit onderwerp tevoorschijn en het team herkende de structuur van het C60-molecuul: een voetbalachtige opstelling van vijfhoeken en zeshoeken. De resulterende verbinding werd buckminsterfullereen genoemd ter ere van de visionaire architect en uitvinder.
De opkomst van fullerenen
De publicatie van 14 november 1985 in Nature markeerde de geboorte van fullerenen – een nieuwe klasse koolstofmoleculen met gesloten schaal. In 1990 ontdekten wetenschappers dat ze grote hoeveelheden buckyballs konden produceren door een elektrische boog tussen koolstofstaven te laten lopen. Deze ontdekking ontsloot een nieuw gebied van de materiaalkunde, waarbij fullerenen toepassingen vonden in de nanotechnologie, de geneeskunde en daarbuiten.
Het verhaal van Buckyballs is een bewijs van de kracht van nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek. Wat begon als een poging om de interstellaire chemie te begrijpen, evolueerde tot een baanbrekende ontdekking die ons begrip van de moleculaire mogelijkheden van koolstof opnieuw definieerde
