F O L K E T I B I L D / K U L T U R F R O N T 3/97
m e d n a t u r l i g v e t e n s k a p
En 20-vånings "geosidisk" glob vid världsutställningen i Montreal 1967
Spännande bollar och
klassisk geometri
1996 års nobelpris i kemi
text Per-Olov Käll • foto UPI
 | Vid 1967 års världsutställning i Montreal var den amerikanska paviljongen inhyst i en klotformig byggnad, som gick under namnet geodesisk dom. Byggnaden såg alltså ut ungefär som globen i Stockholm, fast inte lika stor. Bakom konstruktionen stod den amerikanske arkitekten, filosofen m.m. R. Buckminster Fuller (1895-1983), och som framgår av fotografiet ovan utgjordes konstruktionen av ett stort antal sexhörningar (hexagoner) och - antagligen - tolv stycken femhörningar (pentagoner). Varför just tolv? Jo, därför att redan på 1700-talet hade man visat (den som framlade beviset var den berömde schweiziske matematikern Leonhard Euler) att om man vill åstadkomma en sluten yta av sexhörningar, t.ex. i form av ett klot, så måste man på lämpliga ställen inflika precis tolv stycken femhörningar. Enbart sexhörningar som sätts samman ger ett plan - jämför med de vaxkakor som bin producerar!Om vi vill tillverka en fotboll måste vi däremot använda oss av 20 stycken sexkantiga läderbitar och sy samman dem med 12 stycken femkantiga, de senare placerade på ett sådant sätt att de aldrig hamnar kant till kant med varandra. Att öka antalet sexkantiga bitar går däremot bra. Om vi t.ex. använder 25 hexagoner + 12 pentagoner får vi något som mer liknar en amerikansk fotboll än en europeisk, fortfarande en sluten yta men mindre symmetrisk eftersom avståndet till bollens mittpunkt nu kommer att variera, när vi rör oss över ytan. Med en terminologi som geometriker använder kan man säga att vår europeiska fotboll är en trunkerad (stympad) ikosaeder, vilket innebär att om man tar en ikosaeder (som avgränsas av tolv hörn och tjugo liksidiga trianglar och alltså är en av dem fem platonska kropparna; se figurerna till vänster) och skär av vart och ett av de tolv hörnen så får man fotbollens geometri. Eftersom varje avskuret hörn ger fem nya hörn kommer den nya figuren att bestå av 12 x 5 = 60 hörn.Vad har nu detta med nobelpriset i kemi att göra? Faktiskt åtskilligt! Fotbollens geometri liksom namnet Buckminster Fuller är nära förknippade med den upptäckt som gjorde engelsmannen Kroto och amerikanerna Smalley och Curl några miljoner rikare.Som ofta är fallet var upptäckten resultatet av en jakt på någonting helt annat. Harry W Kroto var en brittisk astrofysiker, som intresserade sig för en slags exotiska kolföreningar, som astronomerna påvisat i stora mängder i de jättelika men oerhört tunna gasmoln som existerar ofattbart långt ute i universum. Kroto tänkte sig att dessa kolföreningar - egentligen ett slags långa kedjemolekyler bestående av grundämnena kol och kväve - kunde bildas i atmosfären ovanför en typ av kolrika jättestjärnor, som förekommer i stort antal i Vintergatan. För att försöka testa sin hypotes experimentellt vände sig Kroto till en amerikansk kollega, kemisten och fysikern Richard Smalley vid Rice-universitetet i Texas. Kroto visste nämligen att Smalley hade utvecklat en apparat för förgasning av kol (och andra fasta ämnen) vid höga temperaturer. Den starka hetta som krävdes för förgasningen åstadkom Smalley genom att fokusera en intensiv pulserande laserstråle i en liten punkt på provet och kunde på så sätt uppnå temperaturer på 10.000 ºC och högre, temperaturer som gott och väl överstiger de som råder på ytan av de flesta stjärnor. Smalleys apparat var sammankopplad med en masspektrometer, ett instrument med vars hjälp molekylmassan hos de bildade förgasningsprodukterna kunde bestämmas med stor noggrannhet.I september 1985 genomförde Kroto, Smalley och kemisten Robert Curl, den senare också verksam vid Rice, en serie kolförgasningsförsök i Smalleys apparat. Ytterligare två forskare, James Heath och Sean O'Brian, som vid denna tid ännu var doktorander, deltog i experimenten. Försöken kunde inte bekräfta Krotos teori om bildningen av kol-kväve-molekylerna. Istället riktades forskarnas uppmärksamhet mot förekomsten av en helt oväntad kolmolekyl med sammansättningen C60 (molekylen består alltså av exakt 60 stycken kolatomer), en molekyl ingen tidigare hade observerat. Eller för att vara mer precis: i tidigare experiment, där denna molekyl faktiskt uppenbarat sig, hade den helt enkelt förbisetts. Inte minst märkligt i sammanhanget var att C60-molekylen föreföll helt stabil. Kroto, Smalley, Curl och de två doktoranderna insåg snart att de elementära kemiböckerna nu måste skrivas om. |
Fram till försöket denna sensommar var nämligen den rådande uppfattningen om grundämnet kol att det endast förekommer i två former, som grafit (som är mest stabilt) och som diamant. Varken grafit eller diamant är dock uppbyggda av separata kolmolekyler utan är fasta ämnen, vilka består av ett oerhört stort antal kolatomer, de är om man så vill "oändliga molekyler". Då kolatomerna i grafit och diamant är bundna till varandra på olika sätt får ämnena mycket olika egenskaper. Grafit är som bekant mjukt och en god ledare för elektrisk ström, diamant å andra sidan extremt hårt och elektriskt isolerande.
Även om forskarna nu visste säkert att C60-molekylen existerade, liksom en rad besläktade varianter C70, C240, C540 o.s.v. vilka också påvisades, visste man inte hur den såg ut. I själva verket hade man blott lyckats framställa försvinnande små mängder av det nya ämnet, mindre än 0,0000000000000001 (tio upphöjt till minus femton) gram! Den mängden var i och för sig tillräcklig för att man skulle kunna påvisa det nya ämnets existens och bestämma dess molekylmassa men alltför litet för att kunna observeras med blotta ögat, eller - viktigare - för att kunna fastställa hur molekylen var uppbyggd. I avvaktan på att större mängder skulle kunna framställas kunde forskarna endast spekulera över vilket utseende C60-molekylen kunde tänkas ha.
Lyckligtvis är alla kemister skolade att tänka i geometriska banor och därför kom forskarna snart fram till en gissning, som man dristade sig att publicera. Eftersom molekylen av allt att döma var mycket stabil talade detta för, menade man, att den borde vara utpräglat symmetrisk. Vad kunde väl vara mer symmetriskt än en fotboll, som faktiskt har precis 60 "hörn"? Man kunde alltså tänka sig en ytterst liten fotboll, där varje hörn motsvarades av en kolatom. Det stämde dessutom bra med vad som är känt om hur kolatomer binder till varandra. Var det förresten inte sådana geometriska bollar som gamle Buckminster Fuller hade intresserat sig för? Varför inte hedra den originella tänkaren genom att kalla C60 för buckminsterfulleren, och som samlingsnamn för de olika varianterna använda fulleren? Redan i novembernumret av tidskriften Nature samma höst presenterades den nya molekylen i en kortfattad artikel. Artikeln väckte stort intresse bland kemister, även om många vid denna tid var skeptiska till om författarna tolkat sina resultat riktigt.
En intensiv jakt vidtog nu för att hitta metoder att syntetisera större mängder av C60. Det skulle dröja närmare fem år innan det lyckades, och då - ju simplare ju enklare - genom att tillämpa den "urgamla" metoden med elektrisk gnisturladdning mellan två grafitstavar i en atmosfär av heliumgas. Curls, Krotos och Smalleys resultat kunde nu till fullo bekräftas med hjälp av kraftfulla metoder som röntgendiffraktion och kärnmagnetisk resonans (NMR). Med hjälp av dessa metoder kan man nämligen erhålla exakt information om hur atomerna sitter placerade i förhållande till varandra i en molekyl eller en kristall.
Vad kan det nya materialet användas till? Det vet man inte riktigt ännu. (Ett eller annat tusental patent lär dock redan vara registrerade.) Intressanta elektriska och mekaniska egenskaper har emellertid påvisats hos fullerener. Så blir t.ex. vissa fullerener, om de "dopas" med lämpliga metaller, supraledande vid 40 Kelvin (-233 ºC). Att ett material är supraledande innebär att det leder ström helt utan motstånd. Visserligen är temperaturen -233 ºC drygt hundratalet grader lägre än vad vissa moderna keramiska oxidmaterial förmår prestera men är å andra sidan den högsta temperatur för supraledning som observerats för ett organiskt material.
Eller som Smalley och Curl skrev i en artikel för några år sedan:| "We do not know what the fullerenes' burgeoning traits will allow, but it would be surprising if the possibilities are not wonderful."
  |
som avgränsas av liksidiga månghörningar; nämligen:
(2) kuben (avgränsad av sex kvadrater) (3) oktaedern (åtta liksida trianglar) (4) ikosaedern (tjugo liksidiga trianglar) (5) dodekaedern (tolv femhörningar) Namnet Platonska kroppar beror på att Platon omnämner dessa kroppar i sin dialog "Timaios". |
F O L K E T I B I L D / K U L T U R F R O N T 3/97
i n t e r n e t u t g å v a n
