Czy węgiel ma coś wspólnego z piłką nożną? Ma, i wiemy o tym od ponad 15 lat. Rozwiązanie tej zagadki zaowocowało w 1996 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii.

Najbardziej fascynująca postać węgla fulereny pozostała by nieznana gdyby nie przypadeki. "Dziwaczne" węglowe struktury są dziś inspiracją dla fizyków i inżynierów.

W przyrodzie niełatwo na nie trafić, znaleziono je zaledwie w paru mniejscach na Ziemi. Naukowcy przypuszczają, że niektóre powstaja na skutek uderzenia piorónów, innie z cała pewnością przybywają z kosmosu. W kraterach meteorytów znajdują się fulureny, które mają w środku gaz pozaziemskiego pochodzenia. Jednak kiedy odkrywano cząsteczki, nikt jeszcze nie przypuszczał, że istnieją w naturze.

W 1895 roku Robert Curl Harold Kroto i Richart Smalley oraz dwaj doktoranci James Heath i Sean O'Brien zabrali si do wspólney pracy. Nie planowali odkrycia fulurenów - cząsteczek węglowych, w których atomy łączą się w "piłkę" inaczej niż w graficie czy diamencie. Zanim odkrywcy się spotkali, Krota fascynowały związki węgla występujące w atmosferzezimnych gwiazd - czerwonych olbrzymów. Smalley był pochłonięty eksperynentami z tzw.klasterami - zlepkami atomów powstającymi w aparaturze, którą sam zbudował Curl Wspólpracójący wtedy za Smalleyem na Rice Univesity w Houston, że te doświadczenia zaciekawiłyby tez jego angielskiego przyjaciela Krota.

1 września 1985 roku rozpoczęły się wspólne eksperymenty. W aparaturze Smalleya naukawcy stworzyli "kosmiczne" warunki: wiązką lasera odparowali z tarczy grafitowej atomy węgla, którer nastęnie przepuszczali przez atomy helu. Wtłaczali je do komory próżniowej, gdzie uległy gwałtownemy rozprężeniu. Po analizie widma stwierdzili, że większość uzyskanych zlepków węglowych składa się z 60 atomów. Cząsteczki były ogromne i zadziwiająco trwałe. Zanosiło się na odkrycie!

Eksterymetatorzymusieli odpowiedzieć na pytanie: w jaki sposób 60 atomów węgla łączy się ze sobą? Grafit,który posłurzył im jako surowiec, jest zbudowanyn z lużno ze sobą związanych płaszczyzn podobnych do plastra miodu. Dlatego odkrywcy przypuszczali, że wyrwany przez laser kawałek siatki gafitowej zawijał się tak, by powstała bryła. Ale jaka?

W ruch poszły wykałaczki, guma do żucia i wielokąty papieru. Pomogło dopiero pewne wspomnienie. W 1967 roku Kroto zwiedzał amerykański pawilon na Expo w Montrealu. Zapamiętał, że przykrywała go niesamowita kopuła projektu Richarda Buckminstera Fulera:ażurowa, lekka i - mimo wielkieo rozmiaru nie wymagająca żadnych podpór. Wertując książkę z opisem konstruccji Fullera, Kroto i Smalley znależli rozwiązanie zagadki. Jeśli obok sześciokątów znajdą się pięciokąty, uda się je tak ustawić, by zbudować zamkniętą klatkę o 60 rogach - atomów węgla!Bryła sklejona z 20 sześcikątów i 12 pięciokątów zaskoczła odkrywców prostotą. Okazało się,że znali ją od dzieciństwa - tak układają się białe i czarne łatki na piłce futbolowej...

Na cześć architekta Smalley i Kroto nazwali cząsteczkę C60 buckminsterfulerem, a cała jej rodzinę fulurenami Odezwały się wprawdzie głosy, nazwa futbolen (soccerene)- od piłki była by odpowiedniejsza, ale naukowcy woleli unieśmiertelnić w niej Richarda Buckminstera Fullera, zmarłego w roku odkrycia fulurenów.

Chcąc dokładniej zbadać fulereny, a potem je ewentualnie do czegoś wykorzystać trzeba było otrzymać ich znacznie więcej niż podczas pionierskich doswiadczeń. Aparatura Smalleya nie nadawała się do produkcji fuluremów na większą skalę, należało więc wymyślić inny sposób.

1990 roku po 5 latach wyścigu z grupami Smalleya i Krota udało się to Donaldowi R. Huffmanow i Lowellowi Lambowi we współpracy z Wolfgangiem Kratschmerem i Konstantiosem Fostripoulosem. Badacze odkryli, że w sadzy, powstającej podczas wyładowania między grafitowymi prętami w atmosferze helu, znajduje się dużo fulurenów. Wcześniej nie wszyscy chceli wierzyć w niczym nie poświadczone spekulacje Smalley'a i Krota dotyczące struktury odkrytych cząsteczek. Po serii doświadczeń odkrywcy odetchnęli z ulgą. Fulureny wyglądały tak jak przewidywali.

Cząsteczka C60 zwana piłką Bucky'ego ma średnicę nanometra (milionowej części milimetra) Odkrywcy węglowych sfer natknęli się tez na fulureny złożone z 70 atomów, lekko wydłużone jak jajko. Poza tym powstalą kilkusetatomowe kolosy i maleństwa mniejsze od "piłki Buck'ego". Najmniejsza 20-atomową cząsteczkę, o kształcie dwunastościanu foremnego, zbudowaną z samych pięciokątów skonstruowano w 2000 roku.

Większośc wytworzonych z tych na siłe molekuł okazuje się bardzo nietrwała, ponieważ nie spełniają zauważonej przez Krota reguły, że stabilne są tylko te cząsteczki, w których pięciokąty nie sąsiadują ze sobą.

Fulureny to nie ostatnia niespodzianka, którą węgiel trzymał w zanadrzu. Z sadzy, w której się znajdowano, Japończyk Sumio Iijima 1991 roku wygrzebał długie, kiełbaskowate cząsteczki. Skąd się wzięły? Otóż niektóre części płaszczyzn grafitowych, zamiast zwijać się w kulkę, skręcały się, tworząc puste w środku rurki, Zamkięte na kończch powłokami C60.

Laboratoria wielkich koncernów ruszyły do wyścigu po wynalazki, na których da się zarobić. Nie odstraszają wysokie ceny - jeden gram C60 kosztuje 200 dolarów. Właściwości "piłek" podsuwają wiele pomysłów. Gdy fulureny połączona z grupą karboksylową, dzięki czemu stały się rozpuszczale w wodzie,docenił je przemysł farmaceutyczny. Okazało się, że mogą pomóc w walce z ADIS - blokują działanie dwóch enzymów wirusa HIV (nie są jednak skuteczniejsze niż inne środki).
      Na fulureny liczą nie tylko lekarze. Nanorurkowy materiał byłby lekki, elastyczny i tysiace razy wytrzymalszy od stali. Gdyby jeszcze był tani, wywołało by rewolucę technologiczną. Gdy odkryto, że niektóre nonorurki są półprzewodnikami, zaczęto nawet marzyć o komputerze z wegla...

Choć liczba patentów przekroczyła setkę, na rynku nie pojawił się żaden fulurenowy produkt. Obiecujące nanorurki nie sięgają nawet milimetra długości...
      Patrząc na "najpiękniejsza molekułę" i zgrabne nanorurki, nie chce się wierzyć, że mogłby się okazać bezużyteczne. Naukowcy pytani o zastosowania fulurenów odpowiadają więc z wiarą w pszyszłość: "jeszcze nie teraz."


przygotował: Radek Zacharuk