A molekula egyedülálló alakja nyomán a tudósok sokféle feltevésbe bocsájtkoztak a szén fizikájáról és kémiájáról. A buckminsterfullerén felfedezését hamarosan új fullerének és hasonló szénszerkezetek felfedezése követte. Az új molekulákban a szénatomok száma 60-tól különbözô is lehet, tulajdonságaik pedig széles skálán mozognak: bizonyos körülmények között fémekre, máskor félvezetôkre hasonlítanak. Az alkalmasan kezelt fullerének még egzotikusabb viselkedést, például szupravezetést is mutathatnak. Nagy jelentôséget kell tulajdonítanunk annak a ténynek, hogy ezeket a jelenségeket szénszerkezetekben figyelték meg, márpedig a szénkötéseket minden más kötésnél jobban ismerjük. Mindez arra utal, hogy az anyagtudománnyal foglalkozó kutatók és a mérnökök olyan elektronikus eszközöket is tervezhetnek, amelyek pontos szerkezetét jobban szabályozhatják, mint a jelenlegi szilíciumeszközökét. A termékek nemcsak kisebbek, többféle célra alkalmazhatók és nagyobb teljesítményűek lehetnek, hanem – a szén erôs kémiai kötését kihasználva – mindezt a tulajdonságot egyetlen, erôs, folytonos kötésrendszerű molekula hordozhatja. A buckminsterfullerén felfedezésével a szén a semmibôl a jövô nanotechnológiai eszközeinek ideális anyagává léphet talán elô.
A buckminsterfullerén a szén új, stabil formája. A gyémánt és a grafit módosulatot már évezredek óta ismerik. De ezt a változatot csak 1985-ben fedezték fel, és formája után Richard Buckminster Fuller építészrôl nevezték el, aki kedvelte a geodéziai kupolaboltozatokat.
A buckminsterfullerén és rokonvegyületeinek új alakja azonnal felvetette a kérdést, hogy a szénmolekulák új csoportját mire lehetne használni. A vegyületek legszembetűnôbb jellemzôje a szokatlan, üreges kalitka, amely elég nagy ahhoz, hogy a periódusos rendszer bármely elemének atomját magába zárja. Valószínűnek tűnt, hogy a csapdába ejtett atom tulajdonságai különböznek majd a szabad állapotban mutatott sajátságoktól, a kalitka pedig ideiglenesen elszigetelhetne egy atomot a környezettôl, amíg egy másikba át nem viszik, hogy ott használhassák fel. Új elektromos vezetô és félvezetô viselkedésre számítottak, és arra gondoltak, hogy a fullerének segítségével jobban kezelhetnék a sugárterápiában alkalmazott anyagokat. A vezetôk és félvezetôk "jósága" függ attól , hogy mekkora bennük az elektronok mozgékonysága, és a különbözô tartományok milyen könnyen adnak le és vesznek fel elektronokat. A fullerének szénkalitkája a szabályozás új szintjét valósíthatná meg, gondolták, ha elektrondonor és elektronakceptor részecskéket ültetnének a belsejébe. Ha a kemoterápiában használt radioaktív elemeket foglalnák szénburokba, megakadályoznák, hogy a szervezettel reakcióba lépjenek, miközben a gyógyító sugárzás kijuthatna a kalitkából.
A fullerének külsô burka is érdekes volt. Ezeken a felületeken szén–szén kettôs kötések sora jelent meg. Felvetôdött, hogy a kettôs kötéseket hidrogénnel, halogénatomokkal (például fluorral) vagy nagyobb csoportokkal telíthetnék. Az egyik legelsô alkalmazási javaslat úgy szólt, hogy a buckminsterfullerén minden szénatomjához kellene adni egy fluoratomot, hogy a jól ismert szén–fluor polimer, a teflon gömbszerű változatát elôállítsák. Ez pedig egy apró, nem ragadós golyóscsapágy lehetne, amely kitűnô kenési tulajdonságokkal rendelkezik.
A fullerének szokatlan alakja és mérete azt sugallta, hogy a molekulák biológiailag aktívak lehetnek. A fehérje- és enzim-biokémia kulcs–zár világában minden új alak érdekes különösen akkor, ha ez az élet szempontjából oly fontos szénen alapszik. A buckminsterfullerén szerkezete ráadásul – sok vírushoz hasonlóan – nagyfokú szimmetriát mutat. Egy fullerénalapú gyógyszer talán ellenállna a vírusok támadásának. A páratlan szerkezet nyomán az egymáshoz kapcsolódó kupolák és csövek mikroméretű rendszerének képe és a nanotechnológiai alkalmazások lehetôsége is felvetôdött. Ám a fullerénekhez fűzött kezdeti remények egynémelyike semmivé foszlott. De izgalmas és meglepô tulajdonságok vártak felfedezésre, ami bôségesen kártpótolta a veszteségeket.
Smalley éveken át fémekbôl és félvezetô elemekbôl készített klasztereket úgy, hogy lézerfénnyel bombázta az anyagok felületét. A forró gôzcsóvát hideg gázáramba vezette be. A gyorsan lehűlô gôzben olyan formában fagytak meg a klaszterek, ahogy keletkeztek. A hűtött képzôdményeket tömegspektrométerrel és más berendezésekkel vizsgálták.
Smalley a buckminsterfullerén felfedezése elôtt elsôsorban félvezetôket vizsgált, például szilíciumot, germániumot, gallium-arzenidet. A félvezetôk esetében nagy szükség van az atomi és a makroszkopikus skála közötti homályos tartomány feltárására. Az elektronikus áramkörök miniatürizálásához ismerni kell az elektronok viselkedését, hiszen ezek szállítják és tárolják az adatokat az egyre kisebb félvezetô eszközökben.
Semmi nem sürgette azonban a szén vizsgálatát. Tulajdonképpen meg kellett szakítani a kísérleteket, amikor Harold Kroto, angliai Sussex egyetemének vegyésze bejelentette, hogy szenet szeretne tenni Smally készülékébe. Kroto bizonyos széntartalmú molekulákat fedezett fel a hideg csillagközi térben a rádiócsillagászati jelek elemzésekor. Kíváncsi volt arra, hogy a Földön is elô tudja-e ezeket állítani. Krotót az asztrofizika egyik régi rejtélye izgatta: egy spektrumvonal, amely arra utalt, hogy a látható fényt egy adott hullámhosszon elnyeli valami, de a földi kísérletek alapján a fényelnyelést egyetlen ismert molekula sem okozhatta. Kroto azt akarta tudni, hogy a Rice Egyetemen készített új, széntartalmú molekulák valamelyikével sikerül-e megmagyarázni a rejtélyt. Smalley és kollégája, Robert Curl, meghívta Krotót. "Megvolt a gép, amelyet ultrahideg molekulák spektrumának felvételére készítettem", mondta Smalley, "és volt néhány molekula, amelyet érdemesnek láttunk megvizsgálni."
A kísérletek során valóban elôállították ezeket a molekulákat. Jelenlétüket tömegspektométerrel mutatták ki. A tömegspektrumban volt egy állandóan megjelenô csúcs, amely 60 szénatomos képzôdménynek felelt meg.
A klaszterek spektruma rendszerint többféle tömegszámnál jelenik meg, ami azt tükrözi, hogy a képzôdményekben az atomok száma eltérô. A szabad vegyértékek miatt a klaszterek általában csak rövid ideig maradnak fenn, mielôtt más klaszterekké vagy molekulatöredékekké alakulnak át. Az állandó 60 atomos csúcs molekulaszerű képzôdményre utalt. Hosszas vita után végül a kutatók egyetértettek abban, hogy az összes szabad vegyérték csak úgy mehet kötésbe és ennek következtében a részecske úgy válhat stabil molekulává, ha zárt gömb keletkezik, amelynek felületén az egymáshoz kötött szénatomok öt- és hatszögekbe rendezôdnek – mintha a futball-labda öltéseinek mintáját követnék.
Furcsa módon azoknak nem sikerült a felfedezés, akik a szénnel hivatásszerűen foglalkoztak. Egy évvel korábban Eric Rohlfing, Donald Cox és Andrew Kaldor, a New Jersey-i Exxon Research and Engineering Company munkatársai, a szén katalitikus tulajdonságait vizsgálva hasonló klaszterkeltô berendezésben kísérleteztek a szénnel, de nem "szúrták ki" a 60 atomos csúcsot a spektrumukban. Ôk ugyanis az összes különbözô méretű szénklaszter adathalmazára akartak általános magyarázatot adni, és semmi sem bizonyította, hogy 60-as csúcs különleges. "Nem tűnt fel nekünk. Nem gondoltunk arra, hogy futball-labda lenne. Semmi sem volt, amit bizonyíthattunk volna", mondta Cox.
A segítség csak öt év múlva jött. Közben Smalley csoportja egyre kisebb fullerénekbe ültetett be atomokat. Megmutatták, hogy egy ponton a fullerén "szétpukkadt", és szabadon engedte a bezárt molekulát. Ezzel újabb komoly bizonyítékot szolgáltattak az üreges gömbszerkezetre. Az elméleti kémikusok is jól kihasználták az öt évet, és számításaikkal alátámasztották a szerkezet stabilitását. 1990-ben Wolfgang Krätschmernek és Konstantinos Fostiropoulosnak, a heidelbergi Max Planck intézet, valamint Donald Huffmannak és Lowell Lambnek, az Arizonai Egyetem munkatársainak elôször sikerült látható mennyiségű buckminsterfullerént elôállítania egyszerű vákuumkamrában, két szénrúd közötti elektromos ívvel. A történet újabb, interdiszciplináris pikantériája, hogy ezek a kutatók fizikusok voltak, akik a szénfüst fényszóródását vizsgálva egy kémcsôben elôállították azt a molekulát, amelyet minden vegyész keresett.
A grafitrudak érintkezési helyén a kb. 100 amperes áram széngôzt állított elô. Amikor a gôz különleges felületeken vagy akár a vákuumkamra falán kondenzálódott, Krätschmer és Huffman azt találta, hogy bizonyos körólmények között a korom egy kevés 60 szénatomos fullerént is tartalmazott. Ezt gondos elpárologtatással és újbóli kondenzációval vagy a korom oldásával és extrahálásával meg tudták tisztítani. Az eljárásban az volt a legszebb, hogy bárki meg tudta csinálni.
Néhány héten belül számos kutatócsoport elkészítette a maga fullerénjeit. Az eljárást elvben könnyen át lehet alakítani üzemi folyamattá is. Az Egyesült Államokban azonnal cégek jöttek létre, hogy a laboratóriumi vizsgálatokhoz elôállítsák az új molekulát. Lila Anderson, a Texas Fullerenes Corporation munkatársa szerint "Az igények biztosan, de lassan nônek, mert kutatásról van szó. Úgy gondolom, hogy ez a tendencia addig fog tartani, amíg az alkalmazásokban be nem következik az áttörés."
Az áttörés egyelôre még nem érkezett el, de ez a molekula felfedezôit egyáltalán nem kedvetleníti el. Smalley és kollégái azt mondják, hogy – az elektromágneses indukciótól a folyadékkristályokig – sok fontos felfedezés esetében évekbe került, amíg a felfedezések kereskedelmi szempontból is hasznossá váltak.
A fullerének iránti érdeklôdés robbanásszerű növekedése a tudományos cikkek alapján is nyomon követhetô. 1985 és 1990 között hetente egy dolgozat jelent meg. Krätschmer és Huffman cikke után majdnem minden nap publikálnak egy tanulmányt. Azóta csak nôtt az iram. Egy folyóirat felmérése szerint 1991-ben a tíz legtöbbször hivatkozott kémiai cikk közül kilenc, 1992-ben mind a tíz a fullerénekkel foglalkozott.
A felfedezés története szinte klasszikus. Semmilyen cég vagy alapítvány nem ösztönözte sem az új szénképzôdmény kutatását, sem Kroto asztrokémiai szimulációját, amelybôl a buckminsterfullerén felfedezése szerencsés véletlenként adódott. Krotónak felesége bankszámláját kellett kifosztania, hogy Houstonba repülhessen. Smalley, Kroto és kollégáik kétheti munkája, no meg hallatlan kíváncsisága, zsenialitása és szerencséje vezetett a felfedezéshez.
Miközben elsô alkalmazási lehetôségek egynémelyikét kizárták, mások pedig több évi fejlesztésre várnak, más – kevésbé nyilvánvaló, de nem kevésbé vonzó – elképzelések is felmerültek. Néhány egy- és kétdimenziós szénvegyület vezetôképessége megnôtt a széndékosan vagy véletlenül bevitt alkálifém-szennyezések hatására. 1991 elején Robert Haddon és munkatársai az AT&T Bell Laboratories-ban a C60 és a C70 fullerént kálium- és rubídiumadalékkal kezelték: mindkét vegyület vezetôvé vált. A fémionok ugyanis beépülnek a szilárd C60 kristályában a buckminsterfullerén molekulák közé. Az egymással érintkezô "futball-labdák" vezetô közegként viselkednek az ionok képzôdése közben felszabaduló elektronok számára. Ezek az anyagok voltak az elsô háromdimenziós szerves vezetôk. A háromdimenziós vezetô azért elônyös, mert a mai, nagy területű vékony rétegek helyett kompaktabb elektronikai alkatrészek készíthetôk belôlük.
A kutatók folytatták vizsgálataikat, és az adalékolt fullerénmintákat lehűtötték. Az anyagok elektromos ellenállása az átmeneti hômérséklet, 18 kelvin alatt nullára csökkent. A szupravezetôk esetében ez igen magas átmeneti hômérséklet. Ennél magasabb átmeneti hômérsékletet azelôtt nem figyeltek meg molekuláris anyagoknál (szemben a fémötvözetekkel és kerámiákkal). A Bell Labs és a többi kutatócsoport ezt az értéket hamarosan 33 K-re tornázta fel, ami csak egy fokkal marad el a kerámiarekord mögött.
A vezetési tulajdonságok jelentôsen változtak az alkálifém-adalék arányának függvényében. A legnagyobb vezetôképességet akkor tapasztalták, ha három alkálifém-atom jutott egy fullerénmolekulára. Ha ez az arány nullára csökkent, vagy hatra nôtt, az anyag szigetelôvé vált. Abból, hogy egyetlen adalékkal változtatni tudták a tulajdonságokat, arra következtettek, hogy egyszer talán könnyen állíthatnak elô "heteroszerkezeteket" – olyan anyagokat, amelyek különbözô tartományai ott rendelkeznek szigetelô, félvezetô, vezetô és szupravezetô tulajdonságokkal, ahol kell. Az egyetlen anyagtömbbôl gyártott elektronikus eszközök megbízhatósággal és költségmegtakarítással kecsegtetnek.
Az adalékok a fullerének belsejébe vagy külsejére kerülhetnek, de a felszín egy-egy szénatomját is helyettesíthetik. Szorosan vagy lazán is illeszkedhetnek a fulleréngömb mátrixába. A kalitkába zárt atom viselkedése kémiai szempontból "visszafogott", a részecske korábbi önmagának szuperatom méretű árnyéka. A kalitkát jó lenne radioaktív elemek, például a rákterápiában használt radon szállítására használni. Ennek megvalósítása azonban sokáig várathat magára. A fullerének biológiai tulajdonságai még jórészt ismeretlenek, ezért biztonságos alkalmazásuk is kérdéses, és az sem tisztázott, hogy a fullerénbe zárt szer hogyan vándorol a szervezetben.
Annak az ötletnek is távoli a megvalósítása, amelyet a Jet Propulsion Laboratory munkatársai vizsgálnak. Az elképzelés szerint a fulleréneket ionmeghajtású motorokban használnák. Az ionmeghajtású űrhajó úgy haladna elôre, hogy a töltött részecskék formájában nehéz anyagot bocsájtana ki hátrafelé. A töltött részecskéket elektromos tér gyorsítaná fel az űrhajóban. A fulleréneket könnyű ionizálni, és sokkal nehezebbek, mint legnehezebb "vetélytársaik", az atomok.
A C60-oldatok számos nemlineáris optikai tulajdonságot mutatnak. Egyes esetekben megváltoztatják a frekvenciát, máskor kevesebb fény bocsájtanak át, ha erôsebb fényforrással világítják meg ôket. Optikai zárként szolgáhatnának ott, ahol lézerfénnyel dolgoznak vagy hegesztenek. Kisebb fényintenzitás mellett lépnek működésbe, mint a többi eszköz, ezért az érzékeny fényérzékelô berendezéseket is megvédhetnék. Az optikai áramkörökben, amelyekben a fotonok veszik át az elektronok szerepét, kapcsolóként lehetne felhasználni a fulleréneket: a fényt adott intenzitásig átengednék, azután elzárnák az útját.
A fullerének fotovezetôk is: megfelelô fénnyel besugározva vezetik az elektromosságot. Ez a tulajdonság például a fényérzékelésben és abban az elektromos képalkotási eljárásban lehet hasznos, amelyet a fénymásolók és a nyomtatók alkalmaznak. De Joe Mort, a Xerox Corporation egyik kutatója szerint a fullerének fotovezetésének mérése hasznosabb az anyagok pontos szerkezetének feltárásában, mint alkalmazási lehetôségek demonstrálásában. Ha C60 vékony rétegére feszültséget kapcsolnak, az anyag ugyanúgy fényt bocsájt ki, a LED-ekben használt félvezetô anyagok.
A "futballabdák" a fullerén kristályok szokatlanul nagy elemi cellái. Ennek megfelelôen nagy hézagok vannak közöttük. Ezért elképzelhetô, hogy a fulleréneket – a zeolitokhoz hasonlóan – molekulaszűrôként lehetne használni. Arthur Hebard, a Bell Labs munkatársa másfél négyzetcentiméteres, száz buckminsterfullerén molekula vastag membránt készített úgy, hogy a molekulákat szilícium-nitridre és szilíciumra csapta le, majd maratással eltávolította a hordozót. Ez a membrán egyes gázokat átengedhet, másokat megköthet: például a nitrogént eltávolíthatja a földgázból.
Elképzelhetô, hogy különözô hosszúságú szénláncok közbeiktatásával nyitottabb hálók is elôállíthatók. Ezek talán olyan porózusak lennének, mint a cellulóz vagy a csont, és átengednék az aminosavakat és a cukrokat, de például útját állnák a vírusoknak. Ezek a védôrétegek igen hasznosak lehetnek a szervátültetésnél. A szén ugyanis "barátságos" elem a szervezet számára, és a fullerén memebránok talán megakadályoznák a kilökôdést.
A fullerének adalékolása és szubsztitúciós reakciói csak a kezdetet jelentik. A bonyolult, gömb alakú, eddig ismeretlen tulajdonságokkal rendelkezô molekulák még a preparatív vegyészekre várnak. Az a fluorozott buckminsterfullerén, amely golyóscsapágynak nem vált be, váratlanul hasznosnak bizonyult köztitermékként: az ideiglenes fluor szubsztituensek sokféle csoportra cserélhetôk. A Kaliforniai Egyetemen (Santa Barbarában) Fred Wundl csoportja a C60 fémkomplexeit állította elô, és ezeket polimer láncokhoz is hozzákapcsolták: a fullerén felületén megkötöttek egy atomot, és ez hozta létre a a kétféle molekula közötti kötést. A husszú polimer láncok és a gömb alakú molekulák tulajdonságai eltérôek. Az kétféle vegyület kombinációja új kémiai lehetôségeket rejt magában.
Ezek a fullerén-származékok biológiailag is aktívak lehetnek. Az atlanati Emory Egyetem egyik csoportja és Fred Wudl szerint a C60 egyik származéka reakciókészséget mutatott az AIDS-t okozó HIV vírussal szemben. De a kutatók talán taktikai hibát követtek el, amikor a legszexibb új molekulát a legveszélyesebb vírussal hozták hírbe. Számos anyag képes reagálni a HIV-vel, bár az Emory Egyetem egyik kutatója szerint, az ô eredményüknek az a jelentôsége, hogy elôször mutatta ki a fullerének biológiai aktivitását.
1991-ben Sumio Iijima, a japán NEC alapkutatási laboratóriumának munkatársa rájött, hogy a grafitrudakon – amelyekbôl a sokak fantáziáját megmozgató korom keletkezett – fulleréncsövek nôttek. Ezek a csövek olyanok, mint a tökéletes szénszálak. Hibamentesen elôállíthatók, és rendkívül erôsek. Két koncentrikus fulleréncsô "nanovezetéket" képezhet úgy, hogy a külsô szigetelô, a belsô vezetô, mert a fulleréncsövek elektronikus tulajdonságai változnak a csô átmérôjével és egyéb méreteivel. A különbség nem kémiai – mint a PVC-vel szigetelt réz esetében –, hanem pusztán geometriai. A csöveket más elemekkel is meg lehet tölteni, és az így keletkezô egyedi kompozit nanoszálak valószínűleg újabb elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek.
A szénszálakkal ellentétben, amelyeket közönséges szénhidrogén polimerek szabályozott égetésével nyernek, a fulleréncsô lényegében óriásmolekula. Az anyagok erôsségét jelenleg azok a hibák korlátozzák, amelyek végigvándorlnak a nem egészen tökéletes szerkezeten. Mivel a széncsô inkább erôsen kötött hálózat, semmint törékeny kristály, egy kis szerkezeti hiba nem vándorol rajta végig.
A futballabdák és a fulleréncsövek kínálják az elsô esélyt arra, hogy a kémiai kötés erôsségét emberi léptékben hasznosítsuk. Ez az elsô alkalom, hogy a puszta szemmel látható szál vagy huzal egyetlen molekulából álljon. Az óriási szakítószilárdság és elektromos vezetôképesség kiaknázásának talán legnagyobb szabású "látomása" az a terv, amely szerint több kilométeres fulleréncsövek szállítanák a Föld körül keringô napelemekben termelt elektromos áramot a Földre vagy a Földrôl egy űrállomásra.
Most a fô feladat a növesztés körülményeinek szabályozása annak érdekében, hogy a különféle formákat a kívánt orientációban tetszés szerint hozhassuk létre. Ez az interdiszciplináris csapatmunka örömmel töltené el Buckminster Fullert is, aki a teljesség igényével közeledett a tudomány, a technika és a tervezés problémáihoz.