Elôzô rész

4. Az elôállítás

Érdekes, hogy a C₆₀ elôállításához is a csillagközi tér spektroszkópiai vizsgálatával kapcsolatban jutottak el. Huffman, az Arizoniai Egyetem fizika professzora és Krätschmer, a heidelbergi Max Planck Magfizikai Intézet munkatársa már a 70-es évek vége óta foglalkoztak a csillagközi tér optikai spektroszkópiai vizsgálatával. Több érdekes és jellegzetes spektrumot találtak, melyeket azonban nem lehetett meghatározott szerkezetekhez hozzárendelni. Azt gyanították, hogy grafitfürtöknek is szerepe lehet a spektroszkópiai tulajdonságokban [29]. 1988-ban a grafitot ohmikusan hevítették hélium atmoszférában, és a grafitfüstöt ultraibolyában el nem nyelô felületre kondenzálták. Az elektronspektrumon egy kettôs maximumot találtak, melyet Krätschmer tevepúpnak nevezett el. 1989-ben már jelezték, hogy a grafitfüstben jelentôs mennyiségû C₆₀ van. A döntô fordulat 1990-ben következett, amikor is Werner Schmidt, egy a policiklusos aromás szénhidrogénekkel foglalkozó kémikus azt javasolta Krätschmernek, hogy kísérelje meg a szilárd feketés anyagból a C₆₀-at valamilyen aromás szénhidrogénnel, pl. benzollal kioldani, vagy vákuumban való hevítéssel kinyerni [30]. Mindkét próbálkozás sikerrel járt, és rövidesen, a világon elsôként, megláthatták a szén egy új allotróp módosulatának, a C₆₀-nak a kristályait. Kéziratukat, melyben nem kevesebb, mint 18 személynek mondanak köszönetet, de Schmidtnek nem – bár neve szerepel a szövegben, mint "személyes közlés" forrása – 1990. augusztus 7-én küldték be a Nature szerkesztôségébe, melyet szeptember 7-én fogadtak el közlésre, és az a szeptember 27-i számban jelent meg [31]. A dolgozat társszerzôi Loweld D. Lamb és K. Fostiropoulos voltak. Érdekes, hogy a kézirat egyik bírálója Kroto volt, aki az olvastak láttán megdöbbent, mert augusztus 3-án egyik munkatársa, Hare, a grafit lézeres elpárologtatásával nyert kormot benzollal kezelve egy vörös színû oldatot nyert. Nem habozott azonban a dolgozatot telefaxon közlésre javasolni [22]. A C₆₀ ismét a Nature címlapjára került: a szeptember 27-i szám címoldalán a buckyball kristályai láthatók.

Az elsô kristályok tulajdonképpen csak fôtömegükben álltak C₆₀-ból, mert a C₇₀ együtt oldódott és kristályosodott a C₆₀-nal. Azonban hamarosan elôállították a tiszta C₆₀-at és a C₇₀-et [32], és megkezdôdött fizikai és kémiai tulajdonságaik széleskörû vizsgálata.

5. A fullerének jelentôsége

Az elôállítás óta eltelt kevesebb mint hét évben hatezer közlemény, számos könyv jelent meg a fullerénekrôl [33], több konferenciasorozatot rendeztek illetve rendeznek, egy új, kizárólag a fullerénekkel foglalkozó folyóirat [34] is megindult. Ez a rendkívüli érdeklôdés a fullerének iránt teljesen természetes. A fullerének nem pusztán a szén allotróp módosulatainak egy új családját alkotják, hanem szerkezetük révén eddig nem is sejtett számtalan vegyülettípus elôállítását teszik lehetôvé. A kémia történetében csak a benzol szerkezete, és ezzel kapcsolatban az aromás vegyületek családja felfedezésének jelentôsége hasonlítható hozzá. Egyedül a fullerének azok a vegyületek, melyek belsejében vákuum van, és ez tette elôször lehetôvé endohedrális vegyületek elôállítását. Ezek a kémiai kötés szempontjából egészen különleges helyet foglalnak el, és ennek megfelelôen tulajdonságaik nehezen jósolhatók meg, ha egyáltalán megjósolhatóak mai tudásunk alapján. A származékok között sok olyan van, amelyek tulajdonságai fontos gyakorlati alkalmazásokkal kecsegtetnek. Bár iparilag is fontos gyakorlati felhasználást még nem találtak, aligha valószínû, hogy a számtalan származék között ne lenne sok olyan, amelynek fizikai és kémiai tulajdonságai nem pusztán a "tiszta" tudomány, hanem a gyakorlati élet számára is igen jelentôsek lehetnek.

A fullerének kémiai kutatásának egyik legnagyobb problémája éppen a származékok, és ezen belül az izomerek elképesztôen nagy száma. Mint az közismert, a kétszeresen helyettesített benzolvegyületeknek három izomerje van: az orto-, meta- és para-származék. Két csoport hozzákapcsolásakor a C₆₀ molekulához 15 izomer keletkezhet, melyek elválasztása nagy problémát jelent. Márpedig a vegyületek tudományos igényû vizsgálatának és gyakorlati alkalmazásuknak egyaránt elôfeltétele az, hogy azokat tiszta állapotban állítsák elô. Érdemes azt is megfontolni, hogy – mint azt említettük – magának a 12 ötszögbôl és 20 hatszögbôl álló C₆₀-nak is 1812 izomerje lehetséges, de ezek közül csak egyetlenben nem érintkeznek egymással az ötszögek. Ez kivételesen nagy stabilitást ad, de egyáltalán nem zárja ki, hogy a buckminsterfulleréntôl eltérô szerkezetû molekulák, és természetesen azok származékai ne létezhetnének adott körülmények között.

A gyakorlati alkalmazások szempontjából igen reményt keltôek a fullerének és származékaik egyes fizikai tulajdonságai, mint a félvezetô és szupravezetô sajátságuk valamint különleges optikai viselkedésük.

A fullerének felfedezése megtermékenyítôen hatott más elemek klaszterei, szenet és más elemeket tartalmazó ún. heteroklaszterek, valamint ún. nanocsövek és hagymaszerkezetû, azaz többrétegû molekulák elôállítására, és azok tulajdonságainak tanulmányozására. Jelenleg szinte beláthatatlanok az új szemlélet nyomán megindult kutatások távlatai.

6. A felfedezés néhány tanulsága

A fullerének felfedezésének legmeglepôbb tanulsága, hogy az akár több mint száz évvel korábban is megtörténhetett volna. Hiszen Davy már 1821-ben létesített két szénelektród között ívet, és hamarosan sor került az ívlámpák alkalmazására. Edison pedig, több más feltaláló próbálkozása után, 1879-ben feltalálta a szénszálas izzólámpát. Ennek használatakor pedig megfigyelték, hogy a lámpa belsô falára szén rakódik le. Aligha kétséges, hogy ebben a rétegben található C₆₀. "Csak" arra lett volna szükség, hogy valaki benzollal öblítse ki a kiégett izzólámpát!

Maga a felfedezés, illetve az elôállítás egyik iskolapéldája lehetne a serendipitynek, azaz a nem célzott felfedezésnek, amikor is eredetileg más probléma megoldása foglalkoztatja a kutatót, de a munkálatok egy teljesen másik, az eredetinél jelentôsebb eredmény elérésére vezetnek. Kroto asztrofizikai megfontolások alapján gondolt a szén plazmákban való viselkedésének, reakcióinak tanulmányozására, és az elôállításhoz vezetô út kündulópontját is ilyen tapasztalatok jelentették.

A fullerének felfedezésének és elôállításának története pompásan mutatja, hogy a tudományos felfedezés nem algoritmizálható. Azonban az is világosan következik belôle, hogy az intuitív felismerések mögött széles ismeretek, nagy gondolati erôfeszítések húzódnak meg, és utólag megszerkeszthetô lenne a meglévô ismeretektôl a felfedezésig vezetô szigorú logikai út. A fullerének felfedezésének körülményei is példázzák, hogy az intuíció legfontosabb vonása a lényegesen különbözô dolgok közötti asszociáció.

A fullerének felfedezése és szerkezetük meghatározása elég nagy jelentôségû ahhoz, hogy megvizsgáljuk, mennyire érvényes a Popper-féle falszifikációs elv, valamint a tudományos elméletek társadalmi konstrukciójáról mostanában többek által képviselt álláspont. Az kétségtelennek látszik, hogy a tudományos elmélet rangjára csak az az elképzelés tarthat igényt, amely elvileg cáfolható. Az viszont már túlhajtásnak tûnik, hogy a tudományos elmélet elvileg nem bizonyítható, legfeljebb csak megerôsíthetô. A fullerének létezésével és szerkezetével kapcsolatos kutatások csakúgy, mint a kémia és a fizika nagyszámú alapvetô megállapítása olyan sokoldalú koherens megerôsítést kapott, hogy oktalanság lenne azokat nem bizonyítottnak tekinteni. A társadalmi konstrukció kérdése pedig aligha vetôdhetne fel. Természetesen a felfedezésben nagy szerepe volt a kutatók elôzetes ismereteinek, sôt bizonyos ismeretek hiányának, valamint különbözô elfogultsaígaiknak. Azonban a szinte bárki számára megismételhetô kísérletek, a számos független kutatócsoport által kapott eredmények lényegi egyezése kizárta, hogy valamelyest is figyelemreméltó alternatív magyarázat merüljön fel. Ez természetesen nem jelenti azt, hogy nagyon sok, egyébként fontos részletkérdésben ne lennének vitatott részletek. Sôt, az is nyilvánvaló, hogy a divatossá vált területen számos helytelen adatot közöltek, részben a felületes kísérleti munka miatt, részben pedig azért, mert csak a kísérletek alapos értékelése nyomán merültek fel olyan szempontok, melyekkel eleve nem lehetett számolni.

Úgy véljük, hogy a társadalmi konstrukció kérdése csak akkor merül fel, amikor a problémának ideológiai vetületei vannak*, továbbá, amikor a kutatás természete miatt nem lehetséges a megfelelô számú független kutató részvétele a vizsgálódásokban. Természetesen ilyen esetekben is szükségképpen be kell következnie az elegendôen nagyszámú és meggyôzô bizonyítékok esetén az egyetértésnek. Különösen akkor kerül erre kényszerítô erôvel sor, amikor az elôrejelzések rendre teljesülnek, és amikor az alapkutatások eredményei gyakorlatilag is fontos alkalmazásokban öltenek testet.

Érdekes a fullerének felfedezésének kérdése a "két kultúra" problémájának különbözô vetületeivel kapcsolatban is. A Lordok Házában, 1991. december 1-jén felvetették annak szükségességét, hogy lépéseket tegyenek a buckminsterfullerénnel kapcsolatos kutatások folytatását illetôen. Ennek során Seear bárónô a következôt mondta: "Lordok, bocsássák meg tudatlanságomat, de meg tudná mondani a nemes Lord, hogy ez a dolog, állati, növényi vagy ásványi?" Ekkor már hat éve foglalkoztatta a közvéleményt, az angol újságok írtak a jelentôs angol felfedezésrôl, de az angol politikai elit (nyilván nem egyetlen) tagja azt sem tudta, hogy "eszik vagy isszák".

A fullerének pedig jelentôsen megkönnyíthetnék a két kultúra közötti szakadék szûkítését [35]. A buckminsterfullerén a legszimmetrikusabb molekula, nem csodálkozhatunk, hogy a mûvészek már régóta felfedezték ezt a szerkezetet. Az eddigi legkorábbi adat szerint Kínában a Ming dinasztia uralkodása idején (1368–1644) emelt hatalmas oroszlánszobron az egyik mancs egy olyan gömbön nyugszik, melyen hatszögek és ötszögek képeznek egy zárt alakzatot [36].

Ne feledjük, hogy mind Kroto, mind pedig Smalley emlékeztek Buckminster Fuller geodezikus kupolájára.

A két kultúra elválása egyebek között abból fakad, hogy a tudományt az igazság, a mûvészeteket pedig a szépség foglalkoztatja. A fullerének pedig meggyôzô példák sokaságát nyújtják arra, hogy a tudomány felfedezései, megállapításai a szépség forrásai is. Ide kívánkoznak Keats sorai:

* Jellemzô példák: a hitleri Németországban néhány jelentôs tizikus, mint Lénárd Fülöp és Johannes Stark a dogmatikus "zsidó" fizikával, elsôsorban az einsteini relativitás-elmélettel szemben, hirdette meg a "német" tizikát. A Szovjetunióban ideológiai és nacionalista megfontolások alapján került sor a hírhedt genetikai és a rezonancia-vitákra. A fundamentalista szekták hívei ma is hevesen küzdenek a biológiai fejlôdéselmélet ellen, és a kreacionizmusnak az egyébként alapjaiban általánosan elfogadott fejlôdéselméletekkel azonos óraszámban való oktatását kívánják. (Vissza)

Felhasznált irodalom

A fullerének felfedezésének és elôállításának történetével két érdekes, sok személyes információra is támaszkodó könyv foglalkozik:
Aldersey-Williams, Hugh: The most beautiful molecule, Aurum Press, London, 1991, és
Baggott, Jim: Perfect Symmetry, Oxford University Press, Oxford, 1994.

Sok érdekes adat található Kroto és Smalley az irodalomjegyzékben hivatkozott dolgozataiban, és Hargittai Istvánnak a különbözô kutatókkal folytatott, a The Chemical Intelligencerben megjelent interjúiban: 1, 6-26 (1995) és 2, 17-23 (1996) is.

1. Kroto, H.W, Heath, J.R. O'Brien, S.C., Curl, R.R és Smalley, R.E.: Nature 318, 162 (1985).
2. Osawa, Eiji: Kagaku 25, 854 (1970).
3. Bocsvar, D.A. és Gal'pern, E.G.: Doklady Akad. Nauk 209, 610 (1973).
4. Hargittai, I.: The Chemical Intelligencer I, 12-13 (1995).
5. Chemical Abstracts 74, 75698v ( 1971 ).
6. Bochvar, D.A. és Gal'pern, E. G.: Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR 209, 239 (1973).
7. Paquette, L.A., Teransky, R.J., Balogh, D.W. és Kentgen, G.: J. Am. Chem. Soc. 105, 5446 (1983).
8. Diederich, F. és Whetten, R.L.: Acc. Chem. Res. 25, 119 (1992).
9. Schultz, Harry P.: J. Org. Chem. 30, 1361 (1965).
10. Jones, D.E.H.: New Scientist 32, 245 (1966).
11. Jones, D.E.H.: The inventions of Daedalus, Oxford, W. Freeman, 1982.
12. Euler, L.: Elementa Doctrinae Solidorum. in: Novi Commentarü Academiae Scientiarum Petropolitanae, 1758, 109-140. o.
13. Chemistry in Britain 8, 351, 446, 553 (1972).
14. Eastmond, R., Johnson, T.R. és Walton, D.R.M.: Tetrahedron 28, 4604 (1972).
15. Alexander, A.J., Kroto, H.W. és Walton, D.R.M.: J. Mol. Spectr. 62, 175 (1976).
16. Avery, N.W., Broten, L.W., MacLeod, J.M., Oka, T. és Kroto, H.W.: Astrophys. J. 205, L173 (1976).
17. Kirby, C., Kroto. H.W. és Walton, D.R.M.: J. Mol. Spectr. 83, 261 (1983).
18. Kroto, H.W., Kirby, C., Walton, D.R.M., Avery, L.W., Mac Leod, J.M. és Oka, T.: Astrophys. J. 219, L133 (1978).
19. Broten, N.W., Oka, T., Avery, L.W., MacLeod, J.M. és Kroto. H.W.: Astrophys. J. 223, L105 (1978).
20. Dietz, T.G., Duncan. M.A., Powers, D.E. és Smalley, R.E.: J. Chem. Phys. 74, 651 1 ( 1984).
21. Rohlfing, E.A., Cox, D.M. és Kaldor, A.: J. Chem. Phys. 81, 3322 (1984).
22. Kroto, H.W.: Angew. Chem. Int. Ed. 31, 111 (1992).
23. Smalley, R.E.: The Sciences March/April 22 (1991).
24. Hargittai, I.. The Chemical Intelligencer 1, 20 ( 1995).
25. Heath, J.R., O'Brien, S.C., Zhang, Q., Liu, Z., Curl, R.F., Kroto, H.W and Smalley, R.E.: J. Am. Chem. Soc. 107, 7779 (1985).
26. Haymet, A.D.J.: J. Am. Chem. Soc. 108, 319 (1986).
27. Braun, T.: Angew. Chem. Int. Ed. 31, 588 ( 1992).
28. Cox, D.M., Trevor, D.J., Reichmann, K.C. és Kaldor, A.: J. Am. Chem. Soc. 108, 2457 (1986).
29. Krätschmer, W, Sorg, N. és Huffman, D.R.: Surface Science 156, 814 ( 1985).
30. Hargittai, I.: The Chemical Intelligencer 2, 21 (1996).
31. Krätschmer, W, Lamb, L.D., Fostiropoulos, K. és Huffman, D.R.: Nature 347, 354 ( 1990).
32. Taylor, R., Hare, J.P, Abdul-Sada, A.K. és Kroto, H.W.: Chemical Communications 1423 (1990).
33. Braun, T., Schubert, A., Maczelka, H. és Vasvári, L.: Fullerene Research 1985-1993, World Scientific, Singapore, 1994.
34. Fullerene Science and Technology, Marcel Dekker kiadása, megindult 1993-ban. Fôszerkesztô: Braun Tibor.
35. Hargittai, I.: Leonardo 28, 1 ( 1996).
36. Hargittai, I.: The Mathematical Intelligencer 17, No. 3, 34 (1995).

Érdekes koincidenciák

Buckminster Fuller Carbondale városban született.
Curling (gombolyodás) a fullerének grafitrétegekbôl való képzôdésének a folyamata.
Krätschmer magyar felesége Hatvan városában született.

Vissza