A Hét 1992/2 (37. évfolyam, 27-52. szám)
1992-09-04 / 36. szám
MINERVA A FULLERÉNEK Egészen mostanáig azt tanították az iskolában, hogy a szénnek két módosulata ismeretes: a grafit és a gyémánt. Minden jel arra mutat azonban, hogy ezt a megállapítást korrigálni kell. Az utóbbi években ugyanis a világ több kutatóintézetében és egyetemi laboratóriumában olyan megfigyeléseket végeztek, amelyek alapján határozottan kijelenthetjük: a szénnek van egy térbelileg behatárolható, szabályos ötszögekből és hatszögekből felépülő, mindig páros számú szénatomot tartalmazó módosulata is, amelyet a kutatók — R. Buckminster Fuller, amerikai mérnök és filozófus tiszteletére — fullerénnek neveztek el. Igazából a többes szám használata az indokolt, mivel nem csupán egy fullerén ismeretes, hanem nagyon sok. Tulajdonságaik természetesen — az őkket felépítő szénatomok számától függően — különböznek, és nem egyformán stabilisak. A legkisebb fullerén 32 szénatomos; ennél kevesebb atom — mai ismereteink szerint — nem képes térbelileg zárt szerkezet kialakítására. A szénatomok számának növelésével arányosan növekedik a fullerének stabilitása is, s egyszersmind a szimmetriája is. A legstabilisabb fullerén 60 szénatomos (C6o), és gömbszimmetriájú; lerajzolva egy szemrevaló futball-labdára emlékeztet. A kutatók tréfásan buckyballnak (bucky-labdának) is nevezik. A vegyületek szerkezetének tudósai már évtizedekkel korábban elemezték, milyen stabilis térbeli alakzatok építhetők fel szénatomokból, s arra a megállapításra jutottak, hogy a hatszögű gyűrűk a legállandóbbak, az ötszögű, illetve a hétszögű gyűrűk stabilitása — a bennük kialakuló töltéseloszlás miatt — kisebb. Természetesen számos olyan gyűrűs szénvegyületet ismerünk, amelyekben a hatszögű gyűrűk mellett öt- illetve hétszögű gyűrűk is találhatók, de a hatszögüek mindig túlsúlyban vannak. A matematikából is tudjuk, hogy egy gömbszerű alakzatot pusztán hatszögekből, illetve ötszögekből nem lehet létrehozni. A hatszögek és az ötszögek megfelelő kombinációja — lásd pl. a focilabdát — azonban eredményezhet gömbszimmetriát. A 60 szénatomos fullerén (nevezik buckminster-fullerénnek is) a legszimmetrikusabb és a legstabilisabb fullerénfajta. Valamivel "torzultabb" — rögbilabdára emlékeztet — a C70 fullerén. Ez a két fullerén keletkezik a legnagyobb mennyiségben a fullerének "gyártása" során. A tudósok feltételezése szerint a gyertya égésekor is megjelennek a fullerének, de olyan csekély mennyiségben, hogy még a kimutatásuk is szinte lehetetlen. Nagyobb mennyiség előállításához speciális berendezésekre és olyan közegre vein szükség, amelyben főképpen fullerének keletkeznek. Jelenleg úgy állítják elő nagyobb mennyiségben a fulleréneket, hogy grafitrudak között ívfényt hoznak létre és az elpárolgott szénatomok fokozatosan fullerénekké állnak össze. A zárt rendszert hélium-atmoszféra tölti ki, amely egyrészt elősegíti a szénatomok megfelelő térbeli elrendeződését, másrészt megakadályozza a nemkívánatos folyamatok "eluralkodását". A "gyártás" során kb. 75 százalékban Ceo, 23 százalékban C70 keletkezik, a maradék a többi fullerénre esik. Ezek között "mamutnagyságú" alakzatok is találhatók — C540, C90O stb. Míg a grafit és a gyémánt nyílt és végtelen alakzatnak számít, hiszen a grafitot alkotó hatszögek, illetve a gyémántot alkotó tetraéderek elvileg akár a végtelenségig követhetik egymást enélkül, hogy meghatározható lenne: hol a szerkezet eleje, illetve a vége, addig a fullerének térbelileg zárt rendszert képeznek, véges számú szénatommal. Ha letörünk egy darab grafitot vagy kihasítunk egy gyémántdarabot, akkor az addig az anyag belsejében levő szénatomok közvetlen kapcsolatba kerülnek a környezettel és valamiképpen igyekeznek lekötni a szabad vegyiértéküket. Rendszerint — a légkör párájából — hidrogénatomokat vonzanak magukhoz, így tulajdonképpen "vegytiszta" szénről sem a grafit, sem a gyémánt esetében nem beszélhetünk. A fulleréneknek ilyen "segítségre" nincs szükségük, tehát őket tekinthetjük a színtiszta szénmódosulatnak. Ez persze nem azt jelenti, mintha más atomok nem kapcsolódhatnának a fullerének szénatomjaihoz. Ismeretes pl. a "platinaszegecses labdának" nevezett alakzat, amelyben 6 platinaatom is található, "rászegecselve" 6 szénatomra. A szilárd, kristályos szerkezetű fullerénekről ma még keveset tudunk, mivel a vizsgálatokhoz nem állnak kellő mennyiségben rendelkezésre. A fullerén vékony filmje a vákuumkemence ablakán sárga színű bevonatot képez, benzolos oldata viszont pirosaslila. Röntgendiffrakciós vizsgálatok azt mutatják, hogy a Ceo-as fullerén lapközepes köbös rendszerben kristályosodik és az egyes (pásztázó elektronmikroszkóppal is megfigyelhető) "apró billiárdgolyók" kb. 1 nanométer (10 3 m) távolságra találhatók egymástól. A kristályok a grafithoz hasonlóan puhák, de ha eredeti térfogatuk mintegy 70 százalékára összenyomjuk őket, akkor a gyémántnál is keményebbekké válnak. A nyomás megszűnésével visszanyerik eredeti alakjukat és térfogatukat. A fullerének mind elméleti szempontból, mind pedig gyakorlati hasznosításukat illetően is a kutatás homlokterébe kerültek, így alighanem rövid időn belül számos érdekes, eddig ismeretlen tényre is fény derülhet. Az asztrofizikusokat pl. azért érdeklik a fullerének, mert feltételezik, hogy a csillagközi és a galaxisközi anyagban előforduló elemi szón akár fullerének formájában is létezhet. Gyakorlati haszna lehet annak a körülménynek is, hogy a fullerének belseje "üres", s ott akár egy nagyobb atom vagy molekula is elférhet. De a fullerének felületéhez is kapcsolhatók atomok vagy molekulacsoportok, amelyek megváltoztathatják az eredeti anyag tulajdonságait. Pl. 3 káliumatomot adva a Ceo-as fullerénhez (K3C60) egy olyan anyagot kapunk, amely 18 kelvin alá hűtve (—255 °C) szupravezetővé válik. Ha káliumatomok helyett rubidiumatomokat használunk, akkor a szupravezetés képessége már 30 kelvinnél megjelenik. Más atomokkal vegyítve a fulleréneket különböző tulajdonságú anyagokat nyerhetünk, amelyek gyakorlati szempontból idővel jelentősekké válhatnak. Feltételezik pl., hogy a teljesen fluorozott Ceo-as fullerén (F60C60) igen hatékony kenőanyag lesz. LACZA TIHAMÉR 20 A HÉT
