Carbon 60 
- Verdens smukkeste molekyle

Der var engang, hvor man troede, at grafit og diamant var de eneste to former for kulstof, der fandtes. Det var derfor noget af en sensation, da man i 1985 identificerede en tredje slags: Carbon 60, eller Buckykuglen, som den også kaldes.
 
 

 

 

 

 

 

Buckykuglen er et kulstofmolekyle lavet af 60 kulstofatomer. Sat sammen i en kugle med gitterstruktur som felterne på en fodbold. Da kuglen er helt symmetrisk, stærkt og enkelt opbygget, kaldes det ofte for verdens smukkeste molekyle.

Opdagelsen har banet vejen for en ny gren af kemien, der måske på længere sigt vil give os uanede muligheder for at skabe helt nye materialer og strukturer.

Tilfældighedernes spil

Buckykuglen blev opdaget af Richard E. Smalley, Harald Kroto og Robert Curl ved Rice University, Center for Nanoscale Science and Technology i Houston USA. Godt 10 år efter i 1996 fik de nobelprisen i kemi.

 

 

 

 

 

De tre forskere opdagede Buckykuglen i jagten på noget helt andet, nemlig forklaringen på en bestemt type stråling fra universet.

Når man skal forsøge at finde ud af hvilke stoffer, der findes lysår væk, studerer man de såkaldte spektrallinier i lyset fra universet. Der er et godt redskab til - på langdistance - at finde ud af, hvordan det er indrettet. Siden tresserne havde astronomerne iagttaget en meget udbredt type af stråling, som de ikke umiddelbart kunne finde en forklaring på. Kemikerne i Houston havde en teori om, at der var tale om et meget stort kulstofmolekyle. Gennem spektralanalyser sammenlignet med analyser af fordampede kemiske blandinger i laboratoriet fandt de frem til, at det nye molekyle var sat sammen af kulstofatomer i et fast mønster. Mønstret lignede et hønsenet, og det kendte man i forvejen fra grafit. Men det var ikke fladt, ligesom det er i grafit. Tilsyneladende krøllede hønsenettet sig sammen i en anden struktur, end man før havde kendt.

Det var Richard E. Smalley, der gennemskuede, hvad konstruktionen gik ud på. Han havde hørt om en arkitekt ved navn Buckminster Fuller, der havde udviklet en helt særlig byggeteknik Med den kunne han bygge kupler på sine bygninger med en meget lille overflade i forhold til det areal, kuplen skulle dække. Ovenikøbet med et minimalt brug af materialer.

Smalley mente at kunne se paralleller til strukturen i det nye molekyle, og ved hjælp af Buckminster Fullers principper fandt han faktisk forklaringen på, hvordan C60 er opbygget. Nemlig som en kugle med felter som i en fodbold. Ligesom en almindelig fodbold er carbon 60 også lavet ud af 12 femkanter og 20 sekstanter.

Opbygningen af Carbon 60

Fodbolden er sat sammen af 20 sekskanter og 12 femkanter. Buckykuglen har en tilsvarende opbygning. Nederst i figuren ses forskellige stadier i opbygningen af en buckykugle.

Diameteren i buckykuglen er 1,03 nanometer..
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Forskerne var begejstrede. Ved at folde molekylemodellen i tre dimensioner havde man pludselig fundet en tredje og helt ny måde, som rene kulstofatomer kan sættes sammen på. Det åbnede op for en ny gren af kemien, hvor kulstof kunne findes i alle mulige tredimensionelle former. Det var nu bare om at komme i gang med at finde ud af, hvad det kunne bruges til. Forskerne kaldte naturligvis det højst usædvanlige molekyle for "Buckminsterfulleren", og samme slags molekyler med færre eller flere kulstofatomer besluttede de at kalde for "fullerener".

Siden opdagelsen af Buckminsterfulleren har man i øvrigt fundet ud af, at den stråling, som man oprindeligt ledte efter en forklaring på, virkelig kommer fra molekyler som C60. Stoffet må derfor være meget almindeligt forekommende ude i verdensrummet, men ikke på jorden. Og der gik endnu 5 år efter påvisningen af C60, inden man fandt ud af, hvordan stoffes kan syntetiseres bl.a. ved hjælp af en kulbuebrænder.

    VIDEO: MPEG FILM af  C60 (681Kb stor! ) lavet af  ~Moviemol molekylær animations  program

 

 

 

     

Buckyrør

Japaneren Sumio Iijima prøvede netop i 1991 at syntetisere kulstof 60 i laboratoriet. Og det blev ham, der da snublede over opdagelsen af endnu en modifikation af kulstoffet: Buckyrør, eller Bucky-tubes.

Nanotube : fra Smalleys nanotube image gallery

 

 

 

Det viste sig at være opbygget, som var det et sammenrullet rør af grafit, og lukket i enden af en halv Buckyball.  Rørene er ekstremt tynde i forhold til længden. De har en diameter på 1-10 nanometer og en længde, der er ca. 10.000 gange større, hvilket er meget usædvanligt. Buckyrørene kan indeholde millioner af atomer med en diameter på kun tre atomer.  De kan flettes, strækkes og bøjes uden at knække. Buckyrør er det stærkeste materiale, man kender til i dag. Intet andet stof kan måle sig med dets styrke, der er cirka 1.2 til 2 gange så stærkt som diamantfiber eller 100 til 150 gange så stærkt som stål. Samtidig vejer det utrolig lidt - cirka ¼ af stål. Ligesom grafit kan det lede en elektrisk strøm.

Men der er ingen, der ved, hvordan de kan produceres til en overkommelig pris. Lige nu er de mere kostbare end diamanter, men materialet ser ud til at ville ændre vores hverdag radikalt og gøre umulige ting mulige.

 

Nærbillede af nanotubes : fra Smalleys nanotube image gallery

Den seneste forskning viser at nanorørerne kan noget som almindelige ledninger ikke kan - de kan lede en elektrisk strøm uden modstand ved almindelig rumtemperatur. Selvom nanorørene ikke er superledere (strømmen i superledere bliver, i modsætning til nanorørerne, ved med at være tilstede, selv når strømmen afbrydes). Buckyrørernes regelmæssige molekylestruktur giver elektronerne mulighed for at flyde frit uden at miste energi ved sammenstødet med løse atomer. Ledninger uden modstand vil kunne reducere størrelsen af elektroniske komponenter betydeligt. [Carbon Nanotube Quantum Resistors, Stefan Frank, Philippe Poncharal, Z. L. Wang, and Walt A. de Heer; Science 1998 June 12; 280: 1744-1746. ]

Andre forskere arbejder på at lave transistorer baseret på nanorør, Hvis man trykker på dem, kan de fungere som forstærkere.Blandt dem er ph.d studerende Jesper Nygård på Københavns Universitet,  arbejder med at lave en transistor ud fra nanorør.

    INTERNET: Jesper Nygård, Niels Bohr Institutet,  har en hjemmeside der beskriver hans forsøg. Billedet nedenuder er fra hans forskning.

    Nanotubes på en overflade

     Her ses et AFM billede af en silicium chip efter Jesper Nygård  har påført en dråbe af  nanorør-opløsning. En masse rør, har klistret sig til overfladen. De tykkeste er reb bestående af mange rør. mens de mindste faktisk er enkelte nanorør. At kunne få enkelte rør til at sætte sig på vores chips er udgangspunktet for fremstillingen af elektroniske komponenter bygget omkring nanorør
    (Cobden og Nygård 1998).

    Vha. et AFM (Atomic Force Microscope) kan man studere overflader i stor detalje. Faktisk kan man se objekter mindre end 1 nanometer.

     
     

     

     

     

     

     

     

 

 

 

 

Disse molekyler kan bringe os fra siliciumalderen ind i kulstofalderen. Adskillige millioner gange mindre end edderkoppens spind, mere perfekt end silicium, kan disse Buckyrør eller Buckytubes få os til at forestille os alle mulige konstruktioner, der en dag kan blive masseproduceret.