Zázračné fullereny - Na obzoru je doba uhlíková

Když se přednedávnem redaktor časopisu Technology Review zeptal věhlasného Arthura C. Clarka, co v příštích sto lete...


Když se přednedávnem redaktor časopisu Technology Review zeptal věhlasného
Arthura C. Clarka, co v příštích sto letech nejvíce změní svět, britský
spisovatel a vědec bez rozmyšlení odvětil, že to budou fullereny. "Stojíme na
počátku doby uhlíkové," dodal a jeho prognózu řada vědců, zejména fyziků a
chemiků, kteří se zabývají nanotechnologií, bez váhání potvrdila.
Fullereny jsou obří molekuly, jež od svého objevu v polovině 80. let minulého
století nepřestávají fascinovat vědecký svět. Jde vlastně o třetí formu čistého
uhlíku (vedle tuhy a diamantu), která díky své ideální chemické konfiguraci
vykazuje tak pozoruhodné fyzikální vlastnosti, že zřejmě ovlivní takřka všechna
odvětví, od výroby výhodných materiálů využitelných při konstrukci
supermoderních automobilů a letadel po architekturu počítačových procesorů
dalších generací.
Za pozornost stojí už okolnosti, jež vedly k objevení fullerenů. Zajímavé je,
že objev, oceněný v roce 1996 Nobelovou cenou za chemii, byl dílem náhody,
ostatně stejně jako řada dalších velkých vědeckých objevů. Zasloužila se o něj
trojice vědců: Brit Harold W. Kroto a Američané Robert F. Curl a Richard E.
Smalley.
Harold Kroto, jenž byl inspirátorem a vůdčí osobností týmu, byl již před rokem
1985, kdy k objevu došlo, znám odborné veřejnosti svými brilantními analýzami
exotických molekul pomocí mikrovlnných spekter. Působil na univerzitě v
britském Brightonu a svého času ho zajímala rovněž astrochemie, jmenovitě
poměry v okolí hvězd bohatých na uhlík. Kroto se domníval, že půjde o jakési
neznámé lineární struktury uhlíku, a aby si svůj předpoklad ověřil, pátral po
aparatuře, na které by mohl tyto podmínky účinně simulovat. Pomocnou ruku mu
podali právě Richard Smalley a Robert Curl, působící na Riceově univerzitě v
texaském Houstonu. Ti se zabývali neméně zajímavou, nicméně zdánlivě
praktičtější otázkou, a sice výzkumem clusterů polovodičů. Kvůli tomuto výzkumu
vytvořili zařízení, které umožňovalo téměř každý materiál vypařit laserem, ten
pak ve směsi s héliem coby nosným plynem ochladit expanzí v trysce a nakonec
měřit hmotnostní spektra. Robert Curl zprostředkoval Haroldu Krotovi možnost
zahrnout do výzkumů vedle křemíku a germania i grafit. V létě roku 1985 Harold
Kroto získal s pomocí zkušených experimentátorů Smalleyho a Curla hmotnostní
spektra, která odpovídala molekulám C60 a C70. Výsledky ale byly natolik
ohromující, že původní polovodičový program byl okamžitě odstaven.

Kopací míč
Vědci však ve zkoumání podivných uhlíkových molekul pokračovali. Molekuly byly
kulovité a vykazovaly úctyhodnou symetrii. Po řadě měření se začal rýsovat
elegantně symetrický model s pravidelným rozmístěním pěti a šestiúhelníků na
povrchu koule. Jak potvrdili přizvaní matematici, jednalo se o komolý ikosaedr,
tedy přesně takový útvar, jaký známe z povrchu fotbalového míče. To vyvolalo
nadšení. Kopací míč byl dokonce trojicí vědců zakoupen a jeho fotografie na
texaském trávníku ilustrovala narychlo sestavený článek pro časopis Nature,
jenž byl publikován v rekordním čase. A protože podobný typ sférické
mnohostěnové struktury, jakým se pyšnila popisovaná molekula, využíval při
svých konstrukcích výstavních pavilonů a jiných geodetických dómů nonkonformní
americký architekt R. Buckminster Fuller (1895-1983), nesla převratná studie
název "C60: Buckminsterfullerene". Fullereny byly na světě, byť zatím v mizivém
množství a pouze v plynném skupenství. Astrofyzika prokázala jejich existenci
ve velkých uhlíkových clusterech emitovaných hvězdami typu červený obr,
předpokládá se, že v okolí těchto hvězd se jich vyskytuje velké množství. Na
začátku 90. let však byly objeveny i přírodní fullereny v prekambrických
sedimentech vzniklých před více než 600 miliony let, ale jejich přítomnost, byť
opět ve velmi malém množství, byla prokázána i ve fulguritech, tedy horninách
natavených bleskem, nebo v sazích vzniklých spálením určitých plynů. V
současnosti se zkoumají molekuly fullerenů nalezené v meteoritech.

Druhý dech
Přes počáteční nadšení však výzkum na dlouhých pět let zamrzl. Ledy se pohnuly
v roce 1990, kdy na poli výzkumu těchto cyklických uhlíkových molekul došlo k
novému obratu.
Toho roku americko-německý tým fyziků z arizonské univerzity a proslulého
Ústavu Maxe Plancka vypracoval syntetickou metodu přípravy fullerenů, která
využívala grafitového elektrického oblouku. Metoda, představená na konferenci v
Kostnici u Bodamského jezera, umožnila nejen produkci fullerenů v již gramových
množstvích, ale i konečné potvrzení jejich struktury. O to se zasloužil
americký chemik Joel Hawkins. Ten pomocí ohybu rentgenových paprsků získal
první snímek molekul buckminsterfullerenu. Téhož roku se k překvapení celé
chemické obce vynořily i první studie o jejich úžasných vlastnostech, které
daly vzniknout celému oboru, fullerenové chemii. Výroba fullerenů není ve
skutečnosti nijak složitá. Laser při vypařování grafitu nahradil elektrický
oblouk s grafitovými elektrodami v aparatuře, kde byla ve vakuu vytvořena
jakási uhlíková plazma. Po ochlazení prudkým proudem hélia se na jejích stěnách
začne zachytávat hmota, na první pohled nerozeznatelná od obyčejných sazí. Po
několika hodinách se tento materiál opatrně sesbírá a smísí se s organickým
rozpouštědlem, čímž vznikne rudý roztok, v němž již lze snadno oddělit
nerozpustný zbytek sazí od molekul fullerenů C60 a C70. Jejich oddělení probíhá
na principu chromatografie. Časem chemici izolovali i vyšší molekuly fullerenů
(C76, C78, C84).
V příštím vydání Computerworldu se podrobněji podíváme na konkrétní objevy, k
nimž na tomto poli došlo: např. na supravodivost či na často zmiňované
nanotrubičky.

text ON-LINE
Kompletní podobu tohoto článku najdete na portálu Science World s datem 30. 11.
2001.
1 1983 / pah
Co jsou fullereny?
Fullereny jsou obří molekuly, jejichž kostru tvoří vzájemně propojené atomy
uhlíku umístěné ve vrcholech více nebo méně pravidelných mnohostěnů. Například
v molekule nejpopulárnějšího z početné rodiny fullerenů, buckminsterfullerenu,
nazývaného též familiérně "buckyball" (bucky míč), je šedesát atomů uhlíku
uspořádáno do pentagonů a hexagonů, jejichž vazby vytvářejí vzor, jaký má
fotbalový míč viz také náš obrázek. Podobná struktura je navržena i pro
modifikaci C70, byť tato molekula se zřejmě již nevyznačuje tak oslnivou
symetrií, jako v případě buckminsterfullerenu.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.