48. Buckyball – verdens smukkeste molekyle

Da den 22-årige hollandske kemiker Jacobus van’ t Hoff (1852-1911) i 1874 foreslog, at kulstof eller carbon danner bindinger udstrakt i rummets tre dimensioner, og at methanmolekylet CH4 derfor udspænder et tetraeder og ikke en firkant, blev han latterliggjort. Men han havde ret, og hans indsigt indledte et nyt kapitel i studiet af kulstof og kulstofforbindelser. Den førte 111 år senere til opdagelsen af carbon 60 (kulstof 60 eller C60), verdens smukkeste molekyle, hvis potentiale vi endnu i dag tilsyneladende kun har set begyndelsen af.

Strukturkemien havde indtil 1874 været begrænset til plane molekyler, så forslaget om rumlige strukturer forekom konservative kemikere at være et frivolt fantasifoster, intet andet end en hallucination. Men det var ikke tilfældet. Tværtimod viste van’ t Hoffs idé sig så frugtbar, at den revolutionerede den organiske kemi. Kulstof danner netop tetraedriske bindinger, hvilket er en del af hemmeligheden bag den umådelige rigdom af organiske forbindelser, der langt overstiger antallet af uorganiske forbindelser.

Hundrede år efter van’ t Hoffs banebrydende, men i starten oversete, opdagelse skulle man ikke tro, at det simple kulstofatom gemte på flere hemmeligheder. Alligevel blev Nobelprisen i kemi for 1996 tildelt tre kemikere for en opdagelse af en klasse af kulstofmolekyler, der tidligere ville have været anset som hørende til fantasiens verden.

Man havde siden starten af 1900-tallet vidst, at kulstof ikke blot danner forbindelser med andre grundstoffer, men også store molekylære strukturer med sig selv. Røntgenspektroskopiske undersøgelser viste i 1920’erne, at kulstofatomerne i grafit er arrangeret i plane sekskantede lag, som i et fladt hønsenet, mens diamant er rent kulstof bundet symmetrisk sammen i tre dimensioner. Diamant og grafit var dengang de eneste former for rent kulstof, man kendte. Kunne der være andre, hidtil oversete rumlige strukturer? Der var i 1970’erne enkelte forslag i denne retning, men uden at de blev taget alvorligt. Da det endelig skete, var det resultatet af et forskningsprojekt, der oprindeligt havde et helt andet formål, nemlig at forstå, hvordan lange kulstofmolekyler kunne dannes i rummet mellem stjernerne. Mikrobølger fra rummet – der ikke skal forveksles med den kosmologiske baggrundsstråling af mikrobølger – antydede sådanne kosmiske kulstofkæder.

Den engelske kemiker Harold Kroto (f. 1939) antog, at de måske blev dannet i overfladen af røde kæmpestjerner – en sen udvikling af stjerner som Solen, der om lang tid vil svulme op til enorm størrelse – for derefter at blive pustet ud i det kolde rum mellem stjernerne. For at teste sin hypotese måtte han genskabe de fysiske forhold af en stjerneatmosfære i laboratoriet. Det var for at realisere denne plan, at han i 1985 indgik et samarbejde med de amerikanske kemikere Richard Smalley (1943-2005) og Robert Curl (f. 1933) ved Rice University i Houston, Texas. Her rådede man nemlig over en ganske særlig laserkanon, der kunne få et grafitlag til at fordampe ved meget høje temperaturer. Håbet var nu, at når dampene igen fortættedes i et vakuumkammer, ville man kunne spore de eftersøgte kulstofkæder.

Bortset fra Kroto, Smalley og Curl bestod forskergruppen i Texas også af de to ph.d.-studerende James Heath (f. 1962) og Sean O’Brien (f. 1961). De første resultater ledte til en bekræftelse af Krotos hypotese om slangelignende kulstofkæder, men eksperimenterne viste også andre, overraskende, og endnu mere interessante resultater. For at undersøge de produkter, der blev dannet af den fordampede grafit, gjorde gruppen brug af et massespektrometer, et fysisk apparat der oprindelig blev udviklet til isotopadskillelse og først blev almindelig anvendt til kemiske undersøgelser i 1960’erne. Ved på denne måde at bestemme atomvægten af de dannede molekyler, fandt de i starten af september 1985 et klart signal fra et molekyle med vægten 720. Kulstof har atomvægten 12, og det svarede derfor til hele 60 kulstofatomer. Deres massespektrometer viste også tegn på en mindre mængde af kulstofmolekyler med 70 atomer. I modsætning til grafit og diamant, der er krystaller uden en bestemt molekylvægt, var der her tale om veldefinerede og meget store kulstofmolekyler. C60 viste sig at være et sort stof, der ved opløsning i benzen giver en smuk violet farve. Kemikerne i Texas havde fundet noget interessant, uden helt at vide, hvad de havde fundet, eller hvor interessant det var.

Hvad var strukturen af dette tilsyneladende helt nye og bemærkelsesværdige molekyle? I deres artikel i tidsskriftet Nature fra november 1985 pegede de fem kemikere på den ”usædvanligt smukke” figur, matematikere kalder et afkortet ikosaeder og som består af 20 regulære sekskanter og 12 ligeledes regulære femkanter opbygget i en kuglelignende struktur. Det er i øvrigt ligesom felterne i en helt almindelig fodbold – men en milliarddel mindre end den, vi alle kender. Når de netop foreslog denne struktur – et hønsenet krøllet sammen til en kugle – skyldtes det en inspiration, Smalley havde fået fra den amerikanske arkitekt og forfatter Richard Buckminster Fuller (1895-1983), der var kendt for sine konstruktioner af ”geodætiske kupler”. En sådan spektakulær kuppel, sammenflettet af lette aluminiumsrør, var et vartegn for verdensudstillingen i Montreal i 1967, og den passede perfekt med det nye kulstofmolekyle.

De fem kemikere argumenterede ikke blot for den symmetriske gitterstruktur af C60-molekylet, de foreslog også, at det var udbredt i universet og måske en bestanddel af det interstellare støv, der findes i store mængder i rummet mellem Mælkevejens stjerner. Desuden, hvis tilstrækkelige mængder af C60 kunne syntetiseres, ”kan stoffet vise sig at være yderst værdifuldt i en kemisk og praktisk henseende”, som de skrev i Nature. Til ære for den amerikanske arkitekt foreslog de at kalde det ”fulleren” eller ”buckminsterfulleren” (med tryk på sidste stavelse), selv om de indrømmede, at det var et noget kluntet og usædvanligt navn for et molekyle. I dag bruger man ofte det mere mundrette navn ”buckyball” (dansk: buckykugle) eller nøjes med C60.

Buckminsterfulleren blev ikke umiddelbart et videnskabeligt hit. Selv om de tre hovedopdagere mente at have klare beviser for molekylets struktur og stabilitet, var ikke alle kemikere overbeviste. Først i 1990 tog det videnskabelige samfund for alvor C60-molekylet til sig, og nu med åbne arme. Årsagen var ikke mindst nye og ret simple metoder, som fysikere havde udviklet til fremstilling af større stofmængder. Med disse metoder faldt prisen stærkt, selv om et gram buckyball stadig i 1992 kostede den nette sum af ca. 15.000 kr. Ikke desto mindre, på den tid eksploderede interessen for dette og lignende molekyler, både af videnskabelige og teknologiske grunde. Mens der mellem 1985 og 1990 i gennemsnit fremkom en artikel pr. uge om fullerener i de videnskabelige tidsskrifter, steg tallet efter 1990 til næsten en artikel pr. dag. I 1993 var interessen så stor, at den resulterede i grundlæggelsen af tidsskriftet Fullerene Science and Technology (der i 2002 blev omdøbt til Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures). Med den øgede interesse faldt prisen yderligere, og i 2013 reklamerede firmaer med ren C60 til 800 kr. per gram.

Opdagelsen fra 1985 blev elleve år senere belønnet med en Nobelpris til Kroto, Smalley og Curl (ifølge nobelinstitutionens statutter kan en pris højst deles af tre forskere). Da de modtog prisen, havde opdagelsen allerede resulteret i et blomstrende forskningsfelt, hvor C60 kun var et enkelt eksempel på en hel klasse af molekylære kulstofforbindelser i tre dimensioner. Der kunne være færre eller flere end 60 kulstofatomer i de nye forbindelser, og deres geometriske form kunne være anderledes end en kugle eller kuppel. C70-molekylet minder mere om en rugbybold end en fodbold. Klassen af disse forbindelser kaldes normalt for fullerener, mens navnene buckyball og buckminsterfulleren reserveres for C60.

En særlig interessant fulleren blev i 1991 syntetiseret af den japanske fysiker Sumio Iijima (f. 1939), der i sit laboratorium snublede over det første ”buckyrør” (buckytube) i form af et langt, men meget tyndt rør bestående af kulstofatomer. Sådanne rørformede fullerener kan være flere mm lange, men med en tykkelse på kun en halv nanometer eller 0,0000005 mm, og de har usædvanlige fysiske egenskaber. Bucky- eller nanorør, som de også kaldes, er det stærkeste materiale, vi kender i dag (150 gange så stærkt som stål), det kan modstå meget høje temperaturer og tryk, det har en lav massefylde (ca. ¼ af stål), og materialet er en god leder for såvel varme som elektricitet. Desværre er rørene også mere kostbare end diamanter, så de har endnu ikke fundet vidtstrakt brug uden for laboratoriet.

Fullerener er i det væsentlige syntetiske stoffer, men de kan også findes naturligt i små mængder, sådan som det først skete i 1992, da C60 blev påvist i et sjældent kulholdigt mineral. Desuden har profetien fra 1985 om deres kosmiske forekomst vist sig at holde stik. De kan påvises via deres infrarøde spektrum, hvilket i 2010 fik astronomer til at identificere C60- og C70-molekyler i det kosmiske støv omkring en fjern stjerne. To år senere kunne astronomer ved hjælp af et af NASAs rumteleskoper påvise store mængder af fast C60 i rummet omkring en dobbeltstjerne 6.500 lysår fra Jorden. Ifølge en pressemeddelelse var der så meget C60, at det kunne ”fylde et rumfang svarende til 10.000 gange Mount Everests”.

En anden interessant forekomst er blevet fundet i sedimenter fra slutningen af permtiden, hvor den gik over i den geologiske periode, der kaldes trias. Netop på den tid, for omkring 250 millioner år siden, fandt der en frygtelig katastrofe sted, hvor mere end 90 % af klodens dyre- og plantearter uddøde. Årsagen til katastrofen er ikke helt klarlagt, men det er muligt, at den skyldtes en asteroides eller stor meteors kollision med Jorden. Da fullerener er hule, kan de indeslutte gasser, og man har i sedimenterne fundet fullerener, som indeholder helium og argon. Analyse af isotopforholdet i disse små mængder af gasser er blevet set som evidens for, at de stammer fra en meteor, og styrker derfor hypotesen om en kosmisk kollision som årsag til katastrofen.

Når klassen af fullerener påkalder sig stor opmærksomhed, er det ikke kun af videnskabelige grunde, men nok så meget på grund af stoffernes potentielle anvendelser. Det har ikke skortet på profetier om anvendelser inden for nanoteknologi og andre områder, hvoraf nogle er realistiske og andre mere fantasifulde. Der forskes ihærdigt i fullereners brug til fx batterier og lagring af energi, og deres mulige medicinske anvendelser bliver også studeret inden for nanomedicin, et nyt medicinsk forskningsområde. Indtil videre har denne forskning dog ikke resulteret i teknologiske gennembrud.