W listopadzie 1985 roku chemicy odsłonili cząsteczkę o niespotykanej symetrii – buckminsterfulleren, czyli „buckyball”. Odkrycie to zmieniło naukę o materiałach i zapewniło jej twórcom Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1996 roku. Historia jego powstania to połączenie nieoczekiwanego przypadku, teoretycznej wiedzy i niestrudzonych eksperymentów.
Tajemnica międzygwiazdowych łańcuchów węglowych
Poszukiwania rozpoczęły się w latach 70. XX wieku za sprawą niewyjaśnionych obserwacji cząsteczek zawierających węgiel w przestrzeni międzygwiazdowej. Astronomowie odkryli więcej długich łańcuchów węglowych, niż mogłyby to uwzględnić istniejące modele astrofizyczne. Przeważająca teoria sugerowała, że schładzające się czerwone olbrzymy wypuściły te łańcuchy w przestrzeń kosmiczną, ale dowody pozostały niekompletne.
Przełom na Uniwersytecie Rice
Kluczowy moment nastąpił na Uniwersytecie Rice, gdzie chemik Robert Curl opracował unikalną technikę waporyzacji laserowej. Odparowując atomy z metalowego dysku za pomocą lasera, a następnie schładzając je w chmurze helu, mógł analizować ich skład. Harry Croteau, który odwiedził Uniwersytet w Sussex, zaproponował zastąpienie metalowego dysku grafitem – czystą formą węgla – aby naśladować zewnętrzne powłoki czerwonych olbrzymów.
Nieproszeni goście
W ciągu dziesięciu dni września 1985 roku Croteau, Curl i Richard Smalley wraz ze studentami Seanem O’Brienem i Jimem Heathem odtworzyli długie łańcuchy węglowe oczekiwane w atmosferach gwiazdowych. Jednak w wyniku eksperymentu uzyskano nieoczekiwanych „nieproszonych gości”: cząsteczki zawierające dokładnie 60 i 70 atomów węgla. Struktury te były przez chwilę widziane we wcześniejszym eksperymencie w Exxonie, ale przeoczono ich znaczenie.
Struktura fulerenowa
Po kilku dniach żmudnej analizy zespół zdał sobie sprawę, że 60-węglowa cząsteczka, C60, jest niezwykle stabilna. W przeciwieństwie do płaskiego arkusza grafenu, który byłby wysoce reaktywny ze względu na zwisające wiązania, C60 był zaskakująco obojętny. Odkrywanie jego struktury zachwyciło zespół, który uciekł się do prymitywnego modelowania przy użyciu wykałaczek, żelek i wycinanek z papieru.
Dziedzictwo Buckminstera Fullera
Przełom nastąpił, gdy Croto przypomniał sobie kopuły geodezyjne Buckminstera Fullera – kuliste konstrukcje zbudowane z powiązanych ze sobą trójkątów. Smalley wyciągnął książkę Fullera na ten temat, a zespół poznał strukturę cząsteczki C60: piłki nożnej zbudowanej z pięciokątów i sześciokątów. Powstały związek nazwano buckminsterfullerene na cześć wizjonerskiego architekta i wynalazcy.
Powstanie fulerenów
Publikacja w czasopiśmie Nature 14 listopada 1985 roku oznaczała narodziny fulerenów, nowej klasy zamkniętych cząsteczek węgla. W 1990 roku naukowcy odkryli, że można wyprodukować duże ilości piłek, przepuszczając łuk elektryczny pomiędzy prętami węglowymi. Odkrycie to otworzyło nową dziedzinę materiałoznawstwa, w której fulereny znalazły zastosowanie w nanotechnologii, medycynie i nie tylko.
Historia buckyballów jest świadectwem siły dociekliwych badań naukowych. To, co zaczęło się jako próba zrozumienia chemii międzygwiazdowej, przerodziło się w przełomowe odkrycie, które na nowo zdefiniowało nasze rozumienie możliwości molekularnych węgla.
