Hoe hadden ze dit over het hoofd kunnen zien? Dat was het eerste dat een vijftal wetenschappers zich vijfentwintig jaar geleden afvroeg toen ze in hun lab op een compleet nieuwe vorm van koolstof stuitte. Koolstof, essentieel voor het leven op aarde, komt in pure vorm alleen in de natuur voor als diamant of grafiet. Althans, dat was tweehonderd jaar lang de gedachte. Nu bleek er plots nog een derde variant te zijn. Een hele aparte nog wel.
Heelal nabootsen
Zoals zo vaak waren de wetenschappers er in eerste instantie niet naar op zoek. Richard Smalley, scheikundige aan de Rice University in Texas, had een uniek apparaat ontwikkeld dat stukjes materiaal met een sterke laser tot atomen en moleculen kon verpulveren. Voor Harry Kroto, een Brits scheikundige aan de Universiteit van Sussex, was dit precies het apparaat dat hij zocht.
Kroto bestudeerde de vorming van koolstofmoleculen in het heelal. Hij vermoedde dat bepaalde koolstofketens ontstonden in de atmosfeer van rode reuzenplaneten. Het apparaat van Smalley kon volgens Kroto de omstandigheden in het heelal nabootsen en was daarom dé manier om zijn theorie te toetsen. Na wat tegensputteren van Smalley gingen ze begin september 1985 aan de slag, samen met Robert Curl, een collega van Smalley, en twee studenten, James Heath en Sean O’Brien.
Smalley’s apparaat
Rice University
In het experiment wordt een intense laserstraal afgevuurd op een draaiende schijf grafiet in een met helium gevulde vacuümkamer. De koolstofbindingen in het grafiet worden door de laser kapot gemaakt, zodat losse koolstofatomen ontstaan. Na afkoeling en onder invloed van het heliumgas vormen de koolstofatomen nieuwe verbindingen met elkaar. De massaspectrometer meet uit hoeveel atomen de nieuw gevormde moleculen bestaan.
Brainstormen
Na een paar dagen experimenteren met Smalley’s apparaat, vonden ze de koolstofketens waar Kroto naar op zoek was. Maar ze vonden ook iets anders. De spectrometer gaf aan dat moleculen met precies zestig koolstofatomen in het apparaat gevormd werden. Dat was vreemd. Zo’n molecuul bestond toch niet? Maar aangezien het molecuul in grote hoeveelheden gevormd werd, moest het een stabiele en symmetrische vorm zijn, en amper reageren met andere moleculen. Maar hoe zag het er dan uit?
Smalley kreeg na een paar dagen brainstormen plots een ingeving. Met een papieren model demonstreerde hij dat als je de koolstofbindingen in een voetbalvorm vouwt – dat wil zeggen een bol van twaalf vijfhoeken die twintig zeshoeken omsluiten – precies alle bindingen van de zestig koolstofatomen gebruikt worden. Dus zijn er geen bindingen over om met andere stoffen te reageren en het is een stabiele en symmetrische vorm. Ze doopten het molecuul ‘Buckminsterfullereen’, naar de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller die dezelfde vijf- en zeshoeken gebruikte voor het ontwerpen van koepels.
Het vijftal stuurde direct hun ontdekking naar het gerenommeerde tijdschrift Nature, in een artikel met de titel ‘C60 Buckminsterfullerene’. Nature publiceerde het artikel op 14 november 1985. Zodoende maakte de wereld precies vijfentwintig jaar geleden kennis met een nieuwe verschijningsvorm van koolstof. In wetenschappelijke kringen kreeg het molecuul al gauw de meer praktische naam ‘buckyball’, waaronder het molecuul uiteindelijk beroemd werd.
Neerbuigend
Interessant is dat Smalley en co. niet de eersten waren die het bestaan van deze koolstofmoleculen opmerkten. Dat deden Amerikaanse wetenschappers al een jaar eerder, alleen zagen zij het belang er blijkbaar niet van in. Het team van Smalley erkende de bijzonderheid van een stabiel molecuul van 60 koolstofatomen wel en kwam tevens met een mogelijke structuur van dit ‘C60’.
Een structuur waar overigens lang niet iedereen het mee eens was. Bedenk dat de door hun verzonnen structuur nog niet experimenteel was aangetoond. Smalley, Kroto en Curl kregen de jaren na hun publicatie de nodige kritiek te verduren. Dezelfde Amerikanen die eerder C60 over het hoofd hadden gezien, publiceerden bijvoorbeeld in 1986 een artikel met de titel ‘C60La: a deflated soccer ball?’, waarin ze een platte structuur – een leeggelopen voetbal – beoogden, waarbij een lanthaniumatoom aan de rand kon hangen.
Deze Amerikanen bleken voor de tweede keer niet opgelet te hebben. In 1990 maakten Donald Huffman en Wolfgang Krätschmer aan alle scepsis een einde. Ze bevestigden de voetbalstructuur met behulp van röntgenstraling. Bovendien vonden ze een manier om buckyballs simpel en in grote hoeveelheden te produceren. Kroto, Smalley en Curl hadden experimenteel bewijs van hun gelijk. In 1996 kregen ze loon naar werken met de Nobelprijs voor de Scheikunde.
Karakteristieke bolvorm
Het werk van Huffman en Krätschmer was voor veel wetenschappers het startsein om met buckyballs aan de slag te gaan. De eigenschappen waren immers bijzonder: stabiel, amper reactief, bestand tegen hoge druk en temperatuur en een holle structuur waar andere atomen in passen. De ruimte binnenin de buckyball is zelfs zo groot dat in theorie elk element uit het periodiek systeem erin zou passen.
Al snel bleek dat de buckyball niet uniek in zijn soort was. Andere voetbalmoleculen van koolstof werden gevonden, met grotere aantallen atomen. De verzameling buckyball-achtige moleculen werd fullerenen genoemd. Inmiddels zijn er al honderden verschillende fullerenen gevonden, en allemaal hebben ze die karakteristieke bolvorm. Na C60 – de originele buckyball – is C70 de tweede meest voorkomende soort.
Mijlpalen
Het onderzoek naar de buckyball leverde interessante resultaten op. Zo werd in 1999 aangetoond dat C60 zich als deeltje én als golf kan gedragen, een belangrijk bewijs voor de juistheid van de quantum mechanica. C60 bleek ook dienst te kunnen doen als transistorachtige versterker, wat menigeen hoop gaf op moleculaire computers. En C60 bleek in combinatie met kalium supergeleiding te vertonen bij relatief hoge temperatuur.
Buckyball als transistor
New Scientist
Dit plaatje laat zien hoe de buckyball een elektronisch signaal kan versterken. Het molecuul wordt aan een koperoppervlak vastgepind door de punt van een scanning tunneling microscope. Zo’n microscoop scant met een elektronisch signaal een oppervlak af. Doordat de buckyball iets wordt ingedrukt, verhoogt zijn geleiding en raakt het elektronische signaal door het koper versterkt. Dit is vergelijkbaar met de werking van een bepaald type transistor. De Franse en Zwitserse wetenschappers die dit onderzoek deden, hoopten dat het een eerste stap zou zijn naar de buckyball als een component in elektrische schakelingen. Zover is het (nog) niet gekomen.
Al het onderzoek heeft zich uiteindelijk niet vertaald in toepassingen. Ondanks dat er, zeker in het begin, gesproken werd van uiteenlopende mogelijkheden in bijvoorbeeld raketbrandstof of als smeermiddel in kogellagers. Ideeën voor toepassingen zijn er nog steeds, zoals in medicijntransport (waarbij het medicijn in de buckyball zit) of als waterstofopslag in brandstofcellen. Meest veelbelovend lijkt momenteel het gebruik in fotovoltaïsche zonnecellen, waar onder andere in Groningen onderzoek naar wordt gedaan.
Belangrijkste verdienste
Het uitblijven van succesvolle toepassingen lijkt misschien teleurstellend. Maar dat lag niet zozeer aan de buckyball zelf, als wel aan andere materialen die werden gevonden met geschiktere eigenschappen. Dit is eigenlijk de belangrijkste verdienste van de buckyball. De buckyball opende namelijk de ogen van wetenschappers voor tot dan toe verborgen materialen op de nanoschaal.
Dat wetenschappers zich massaal stortten op onderzoek naar de buckyball en diens eigenschappen, leidde tot de vondst van duizenden nieuwe materialen. Twee daarvan steken er met kop en schouder boven uit: de koolstofnanobuis en grafeen. Nog twee andere verschijningsvormen van koolstof. De eigenschappen van deze twee materialen overtroffen die van de buckyball en brachten veel wetenschappers ertoe de buckyball te laten voor wat hij was.
Onderzoek naar grafeen en de koolstofnanobuisjes is de afgelopen tien jaar geëxplodeerd. Ze staan in het middelpunt van de belangstelling in bijvoorbeeld de nanotechnologie. De lijst van mogelijke toepassingen is vele malen langer dan die toentertijd bij de buckyball was. De ontdekking van de buckyball is de aanzet geweest tot het vinden van deze koolstofmaterialen. In zekere zin kunnen we dus stellen dat we de nanotechnologie voor een groot deel te danken hebben aan de buckyball.
Google huldigt buckyball
Begin september vierde Google vijfentwintig jaar buckyball met een speciale ‘doodle’, de middelste O in het logo was vervangen door een interactieve buckyball. Door met de muis over het logo te scrollen konden gebruikers het molecuul draaien. Google gebruikt vaker een aangepast logo om aandacht te vestigen op een belangrijke gebeurtenis. Hier staan ze allemaal op een rijtje.
Cirkel is rond
Voorbijgestreefd door de koolstofnanobuis en grafeen is de buckyball anno 2010 verworden tot een ‘normaal’ molecuul als vele anderen. Hoewel, er zijn wetenschappers die denken dat de buckyball indirect het leven op aarde veroorzaakt heeft. Bewijs hiervoor is de vondst van buckyballen in meteorieten, waarbij ze in hun holte buitenaardse elementen bleken te bewaren.
Dit jaar werd die theorie nog eens extra gevoed, met de eerste echte waarneming van buckyballs in het heelal. En recent werden ze ook in andere sterrenstelsels gevonden, wat zou kunnen betekenen dat ze gebruikelijker zijn in het heelal dan gedacht. Dat kan geen toeval zijn. Immers, de ontdekking van de buckyball werd gedaan tijdens onderzoek naar de vorming van koolstofmoleculen in het heelal. Daarmee lijkt de cirkel rond.
Zie ook:
- Maak zelf een buckyball van papier
- Reünie ontdekkers buckyball op Rice University dit jaar
- Het originele artikel over de buckyball in Nature 14 november 1985
Lees meer over grafeen en koolstofnanobuisjes op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/grafeen/koolstofnanobuis/index.atom", “max”=>"5", “detail”=>"minder"}