{A természet futball-labdái}
{{Az elemi szén harmadik módosulata}}

Elgondolkodott-e már a kedves olvasó egy tangó típusú futball-labdát szemlélve azon, hogy vajon miért éppen egy ilyen, szabályos hatszögekből és ötszögekből álló testet használnak a gömb közelítéseként? Az utóbbi hónapokban komoly egyetemi tanszékeken és kutatóintézetekben tűntek fel labdával a kezükben sétáló, azt elmélyülten tanulmányozó kutatók. A hirtelen érdeklődés oka, hogy nemrégiben a szénnek olyan módosulatát sikerült előállítani, amely pontosan ilyen futball-labda alakú molekulákból áll.

Az elemi szén két kristályos módosulata a grafit és a gyémánt, ezek szerkezete látható az 1. ábrán. A gyémántban a szén négy vegyértékének megfelelően négy teljesen egyenrangú kötésben vesz részt minden szénatom. A réteges szerkezetű grafitban ezzel szemben valódi kémiai kötés csak a rétegeken belüli három szomszéddal alakul ki (ezért hasad a grafit olyan könnyen bizonyos síkok mentén), az elektronszerkezetet pedig úgy képzelhetjük el, hogy a szén négy vegyértékelektronjából egy "közös" lesz (delokalizálódik), mint a fémekben (ez a magyarázata a grafit elektromos vezetőképességének a síkok irányában). A harmadik, a természetben előforduló szénmódosulat, az amorf szén, köznapi nevén korom, amely főként különböző hosszúságú szénláncok rendezetlen keveréke.

[[1. ábra. A szén két kristályos módosulata]]

{{Zárt szerkezetű szénmolekula?}}
1984-ben, a korom tömegspektrumában észleltek először a 720-as tömegszámnál (tehát a 12-es tömegszámú szén hatvanszorosánál) éles csúcsot az Exxon kutatóintézetében (Linden, New Jersey, USA) Rohlfing és munkatársai. A rákövetkező évben pedig egy houstoni (Texas, USA) és egy brightoni (Anglia) kutatócsoport közös erőfeszítésével, H. Kroto és R. Smalley vezetése alatt, sikerült olyan kísérleti körülményeket teremteni, amelyek között a korom tömegspektruma már csak két csúcsot tartalmazott, 60 és 70 szénatomnak megfelelően. Ez a tény igen stabil molekulákra utalt, hiszen a nagy vákuumban, nagy sebességgel száguldó részecskék általában hajlamosak arra, hogy egyes darabjaik leváljanak, széttöredezzenek és így általában számos, az anyamolekulánál kisebb tömegű fragmens jelentkezik a spektrumban. A kivételes stabilitás arra indította a kutatókat, hogy ne nyílt láncú, hanem valamilyen zárt szerkezetet tételezzenek fel, hasonlót a benzolhoz vagy az azzal rokon bonyolultabb vegyületekhez, amilyeneket a 2. ábrán mutatunk be. Az új lehetőség, ami felmerült, hogy vajon az ábrán látható síkbeli alakzatoktól eltérően, létrejöhet-e háromdimenziós zárt szerkezet, tehát valamilyen poliéder.

[[2. ábra. Zárt szerkezetű szénvegyületek]]

A kérdést, mint geometriai problémát, Euler már a 18. században megvizsgálta, és meg is fogalmazott egy feltételt arra nézve, hogy szabályos sokszög alakú lapokból mikor építhető fel önmagába visszatérő zárt felület. A szénvegyületekben a kötésszögeket a kapcsolódó atomok száma határozza meg, a rendszer mindig arra törekszik, hogy a kötések minél távolabb kerüljenek egymástól, mert az elektrosztatikus taszítás így lesz minimális. Négy szomszéd esetén az optimális kötésszög 109 fok (mint a tetraéderes elrendezésű gyémántban), három szomszédnál pedig 120 fok, mint a grafit hatszöges szerkezetében. Ha a szénatomok együttesét másmilyen szerkezetbe kényszerítjük, térbeli feszültséget okozunk, ami energianövekedéssel, azaz a stabilitás csökkenésével jár. Az energianövekedést a rendszer az elektronszerkezet szimmetriájának csökkenésével ellensúlyozhatja, így azonban csak néhány fokos szögeltérés kompenzálható. Az Euler-feltételnek eleget tevő, zárt felületű szénmódosulat a fentiek alapján tehát kizárólag szabályos ötszög, illetve hatszög alakú lapokat tartalmazhat.

{{A footballeen labdába rúg}}
A tizenkét ötszögből és tetszőleges számú hatszögből felépített "lyukas molekula" ötletét D. E. H. Jones (aki a New Scientistben Daedelus álnéven írt rövid tudományos glosszákat) már 1966-ban felvetette. Hatvan szénatomot ilyen módon elrendezve, egy nagy szimmetriájú alakzat adódik, a csonkolt ikozaéder (3. ábra). 

[[3. ábra. Buckminsterfullerén]]

Sportkedvelők azonnal felismerik a focilabdát, a felfedezők viszont először egy amerikai építész, H. Buckminster Fuller által tervezett kupolás szerkezetre asszociáltak, innen ered az általuk adott név: buckminsterfullerene, ami azóta fullerénre, vagy egyszerűen "buckyball"-ra rövidült (a Chemical Abstracts ezzel szemben footballeen néven tartja nyilván). Saját bevallásuk szerint a gömbszerű molekula olyannyira tökéletesnek tűnt számukra, hogy elképzelhetetlennek tartottak bármiféle más geometriát - annak ellenére, hogy az anyagmennyiség semmilyen fizikai vizsgálathoz nem volt elegendő, és így a feltevést sem lehetett ellenőrizni. Lázas tevékenységbe kezdtek a kvantumkémikusok is, akik a fenti feltételeket egy újabbal - a zárt elektronhéj követelményével - kiegészítve, meg tudták állapítani azokat a bűvös szénatomszámokat, amelyekből hasonló molekulák keletkezhetnek: 24, 28, 32, 36, 50, 60 és 70. Néhányat a 4. ábrán mutatunk be. A 70 szénatomos csúcs a tömegspektrumban ezek szerint a C70 molekulának felel meg.
 
[[4. ábra. Lehetséges fullerénszerkezetek]]

Az a tény, hogy először a C60 és C70 molekulákat sikerült észlelni az ábrán láthatók közül, valószínűleg nem véletlen. A stabilitás ugyanis annál nagyobb, minél kevesebb közvetlenül érintkező ötszög található benne (ezzel a kötésszögtorzulás csökken). Látható, hogy ez a két követelmény a C60-ban valósul meg a leginkább, de jó közelítéssel érvényes a C70-re is. A terület kísérleti vizsgálata a tavalyi év során kapta az első óriási lökést, amikor éppen ennek a két anyagnak nagy tömegben (néhány gramm/nap) való előállítására dolgoztak ki módszert Krätschmer és társai, egy heidelbergi és egy tucsoni (Arizona, USA) kutatócsoport tagjai. Addigra már az összes, kvantumkémiai módszerekkel megjósolható tulajdonságok (az elektrongerjesztési energiák és a rezgési frekvenciák) ki voltak számolva. A modern kvantumkémiai módszerekkel ugyanis a viszonylag kevés elektront tartalmazó szénatomokból felépített rendszerek jól kezelhetők, ugyanakkor a szokatlan geometria kihívást is jelentett, új számítási eljárások kidolgozására kínált lehetőséget. Ezek sikerét jelezte, valamint az eredetileg csak sejtett szerkezetet igazolta, hogy miután lehetővé vált a C60 és C70 spektroszkópiai vizsgálata, az eredmények igen jó egyezést mutattak a több évvel korábbi számolásokkal. A röntgendiffrakciós vizsgálatok is alátámasztották a gömbszerű alakzatokból felépülő kristályszerkezetet.

{{A C60 szintézise}}

Ez az újfajta szénmódosulat első ránézésre megválaszolandó kérdések és a szintetikus lehetőségek sokaságát veti fel a kémia bármely területén dolgozó kutatók számára. Az első kérdés a kötések jellege, azaz hogy a 3. ábrán berajzolt, váltakozó egyes, illetve kettős kötések mennyire felelnek meg a valóságnak. A magmágneses rezonanciaspektrumban, amely nagyon érzékeny a kémiai környezetre, Taylor és munkatársai csupán egyetlen csúcsot észleltek, bizonyítva, hogy a C60 molekula minden szénatomja ekvivalens. Ez megvalósulhat az ábrán feltüntetett módon úgy, hogy az ötszögek oldalait egyes kötések, a hatszögekéit pedig váltakozó egyes-kettős kötések alkotják.
A másik véglet a benzolhoz hasonló elektronelrendezés lenne, ahol minden kötés egyforma, és szénatomonként egy elektron a teljes felületen egyenletesen oszlik el, delokalizálódik. Nem világos azonban, hogy az aromás jelleg fogalma görbült felületre egyáltalán alkalmazható-e. Kötéshossz-számolások a váltakozó modellt valószínűsítik, és erre utal Hauflernek és társainak egy szintetikus tapasztalata is. A C60 ugyanis a Birch-redukcióval (lítiummal folyékony ammóniában) C60H36-tá hidrogénezhető. Ez a reakció általában aromás vegyületekkel nem játszódik le. Hidrogénen kívül már metilcsoportokat is sikerült a gömbök külsejére "akasztani", és ezzel egy egészen újfajta kémia távlata merül fel, hiszen az oldalláncok módosításával a variációk szinte kimeríthetetlenek. További lehetőség egyéb atomok bevitele a labda belsejébe, tömegspektrometriás bizonyíték már erre is van: számos fémmel sikerült ilyen komplex molekulákat produkálni.

A C60-ban dús korom előállításának fent említett technológiája egyébként nem túlságosan bonyolult, egy ívfényes párologtató berendezés kis módosításával megvalósítható; a koromból pedig közönséges tisztító eljárásokkal (extrakció, illetve oszlopkromatográfia) ki lehet nyerni a 99%-ban tiszta C60-at. Az a sebesség, amellyel a világban a "füstölés" elterjedt, csak a réz-oxid alapú szupravezetők öt évvel ezelőtti hódításához mérhető - de ebben nem merül ki a hasonlóság. A fizikusok ugyanis általában nem lelkesednek az aromás jelleg vagy a gömbbe zárt fématomok rejtelmei iránt: az ő érdeklődésük felkeltéséhez egy további szenzáció kellett, mégpedig az, hogy a C60 alkálifémekkel képzett sói szupravezetést mutatnak, a káliumsó 18, a rubídiumsó pedig 30 Kelvin-fok alatt vezeti ellenállás nélkül az elektromos áramot. (Itt az alkáliionok nem a gömbök belsejébe, hanem a kristályrácsban a gömbök között létrejövő hézagokba épülnek be.) Ezek a hőmérsékletek alacsonynak tűnhetnek a rézvegyületekben elért 120 K-hez képest, de arra még sokan emlékeznek, hogy ott is egy 36 kelvinen szupravezető anyag indította el a lavinát... Külön öröm, hogy ebben a munkában két honfitársunk is komolyan "labdába rúgott": Holczer Károly, a University of California, Los Angeles vendégprofesszora a rubídiumvegyület szupravezetésének felfedezésében, Mihály László, a Stony Brook-i New York Állami Egyetem professzora pedig a kristályszerkezet meghatározásában.

A lehetséges alkalmazások ennél jóval szélesebb körűek: a fullerén szóba jöhet mint kenőanyag, a fémkomplexképzési hajlam beláthatatlan lehetőségeket biztosít a katalízisben, a szinte határtalan módosítási lehetőség pedig olyan reagensek előállításával kecsegtet, amelyek - bátran mondhatjuk - forradalmasíthatják a szerves kémiát.

{{Füstölő csillagok}}
Előfordulhatnak-e fullerének a természetben? Kis mennyiségben a közönséges koromban szinte biztosan, de van egy ennél sokkal izgalmasabb lelőhely is: a csillagközi tér. Szénben gazdag csillagok folyamatosan eregetnek füstöt magukból, és ezt a csillagászok spektroszkópiai módszerekkel már régen tanulmányozták. A mért spektrumokban van jó néhány vonal, az ún. diffúz csillagközi sávok, amelyeket eddig nem sikerült semmilyen ismert anyaghoz rendelni. A C60 izolálása után felmerült a remény, hogy legalább néhány ilyen sávra magyarázatot találnak, de a C60-gőz infravörös emisszióját összehasonlítva a csillagközi spektrumokkal, Frum és munkatársai nem találtak egyezést. Ennek egyik lehetséges oka, hogy - mint Taylor és társai megmutatták - a molekula ultraibolya fény hatására elbomlik, az pedig csillagok környékén bőven van. Stabilnak találták viszont a molekulából képzett pozitív iont, továbbá a hidrogénezett származékokat. Ezek spektruma ma még nem ismert, de várható, hogy előállításuk és vizsgálatuk - éppen, mert erről az oldalról is igény van rá - a közeljövőben megtörténik. A hidrogénezett származékok minden valószínűség szerint reakcióképesebbek, mint az alapmolekula, tehát újabb kémiai folyamatokra (pl. nitrogénnel) van lehetőség. Ez messze vezető spekulációkat indíthat el, akár az élet keletkezésével kapcsolatban is.
Rövid távon a haszon mindenképpen az, hogy intenzív párbeszéd indul meg a természettudomány különböző területeit művelők között, és ennek során szerves vegyészek, kvantumkémikusok, szilárdtestfizikusok, csillagászok, biológusok mind nagyon sokat tanulhatnak egymástól. Talán ez a legszebb a természettudományos alapkutatásban.