Nobelovu cenu za chémiu získali v roku 1996 dvaja Američania a jeden Angličan za objav zvláštnej molekuly uhlíka. Táto molekula obsahovala 60 uhlíkových atómov usporiadaných do tvaru klasickej futbalovej lopty. Prečo dostalo toto čudo meno po architektovi, a nie po futbalistovi?
V sérii piatich článkov venovaných uhlíku sme sa nedostali k najväčšiemu uhlíkovému hitu posledných desaťročí – k veľkým molekulám zloženým len z atómov uhlíka. Prvá a dodnes asi najznámejšia takáto molekula má naozaj štruktúru futbalovej lopty zošitej z dvadsiatich pravidelných šesťuholníkov a dvanástich pravidelných päťuholníkov.
Objav skutočnosti, že futbalová lopta sa vyskytuje už na molekulárnej úrovni, si podľa časti redakcie .týždňa zaslúži Nobelovu cenu už len kvôli tomuto skvelému športu. Ale futbal asi nebol ten hlavný dôvod, veď ani len meno jej po ňom nedali. Tak čo bolo tým dôvodom? Čo je na tej molekule také zaujímavé? Išli sme sa opýtať na Prírodovedeckú fakultu Univerzity Komenského. Odpovedali nám chemik Ivan Černušák a mineralóg Pavel Fejdi.
S Ivanom Černušákom o fullerénových molekulách
.ako prišli ľudia na to, že existujú molekuly uhlíka v tvare futbalovej lopty?
Náhodou. Pri skúmaní tmavej hmoty vo vesmíre ukázali astrofyzikálne pozorovania uhlíkatých hviezd niektoré zvláštne spektrálne čiary. Jedna z možností vysvetlenia tohto prekvapujúceho objavu bola existencia veľkých molekulových reťazcov zložených z desiatok atómov uhlíka. V roku 1985 urobili Kroto, Curl a Smalley sériu pokusov, v ktorých sa im podarilo ožarovaním grafitu laserom vyrobiť a následne pomocou hmotnostného spektrografu identifikovať molekuly uhlíka C60 aj iných veľkých uhlíkových molekúl.
.a ako prišli na to, že tá veľká molekula má tvar futbalovej lopty?
Ako som povedal, identifikovali nielen molekulu s 60 atómami, ale aj so 70 atómami a aj rôzne iné počty. A všetko to boli takzvané magické čísla, čiže počty vrcholov mnohostenov, ktorých steny tvoria pravidelné mnohouholníky. To, samozrejme, neznamenalo automaticky, že tie molekuly majú tvar takýchto mnohostenov, ale bol to veľmi silný náznak, ktorý bolo potom relatívne jednoduché experimentálne overiť. Inak, v skutočnosti bola molekula uhlíka v tvare futbalovej lopty teoreticky predpovedaná dávno pred samotným objavom, ale nikto si to nevšimol. Tú predpoveď totiž urobil Japonec Eiji Osawa, lenže výsledky svojich výpočtov a úvah publikoval len v lokálnom vedeckom časopise a navyše v japončine. Dnes sa Osawova práca s obľubou uvádza ako jeden z excelentných výsledkov chemického modelovania.
.prečo sa molekula s tvarom futbalovej lopty nevolá podľa nejakého futbalistu?
Pretože sa volá podľa architekta. Jednoducho, objavitelia uhlíka C60 mali asi bližší vzťah k architektúre ako k futbalu. A v takom prípade je ich výber mena pre novú molekulu celkom prirodzený. Richard Buckminster Fuller bol americký architekt, ktorý navrhoval pavilóny v tvare takzvaných geodetických dómov, ktoré majú analogickú štruktúru ako futbalová lopta. Napríklad americký pavilón pre svetovú výstavu v roku 1967 v Montreali. Objavitelia zvolili pre molekulu názov C60 buckyball, ale neskôr sa pre celú triedu takýchto molekúl ujal názov fullerény.
.ako sa dá taká molekulárna lopta využiť?
Keď sa do fullerénu podarí preniesť nejakú molekulu, povedzme liečiva, tak tá molekula je v inertnom obale. A ide pritom o malé množstvo. Niektoré liečivá sa podávajú v zbytočne veľkých množstvách, a tak vznikla idea podávať presne stanovené množstvo fullerénu s inkorporovaným liečivom. Myslelo sa hlavne na cytostatiká, ale aj na iné liečivá s veľmi špecifickým lokálnym účinkom. Základná idea bola, že keď sa fullerén dostane na miesto určenia, tak sa nejakým spôsobom rozruší, napríklad žiarením, a liečivo bude môcť účinkovať.
.funguje to?
Testovalo sa to a fungovalo to, ale pokiaľ viem, tak sa to zatiaľ v medicíne nevyužíva. Pôvodne sa totiž myslelo, že fullerén nebude mať nijaký účinok na organizmus, ale potom to bolo v niektorých prácach spochybnené. Ale uzavretie nejakých atómov, iónov alebo aj celých molekúl vo fulleréne a ich neskoršie vypustenie sa využíva napríklad v chemickej syntéze. Existuje obrovské množstvo prác, ktoré sa venujú práve takýmto aplikáciám.
.a tie ďalšie fullerény majú aké využitie?
Objav z roku 1985 otvoril úplne novú oblasť chémie, ktorá sa dnes volá nanochémia. Keď sa ľudia začali hrať s inými fullerénmi než len s C60, tak veľmi rýchlo prišli na to, že tie uhlíkové reťazce sa dajú splietať do rúrok. Tým vznikli dve veľké oblasti – nanotrubice a nanorohy. Tie prvé sú trubice s priemerom niekoľkých rozmerov atómu, to druhé je to isté, ale je to navyše z jednej strany uzavreté. A práve ten hrot má všestranné využitie, pretože sa dá použiť na atómové a molekulové manipulácie. Napríklad aj na uskladňovanie vodíka. A nanorúrky sa v princípe dajú použiť ako vodiče na prepájanie obvodov na veľmi hlbokej úrovni miniaturizácie v elektronike. Okrem toho majú nanorúrky veľmi zaujímavé mechanické vlastnosti, takže keby sa podarilo vyrábať naozaj dlhé nanorúrky, tak by sme mali nesmierne tenké a mimoriadne pevné vlákna. A využitie takýchto vlákien by bolo naozaj až takmer na úrovni sci-fi.
.čiže hlavným prínosom objavu fullerénov bolo otvorenie novej, širokej a perspektívnej oblasti výskumu?
Asi sa to dá takto povedať. Ale zrejme by sa malo hovoriť nie o jednej, ale o mnohých oblastiach. Veľmi veľa sa robí napríklad v oblasti takzvaných samoorganizujúcich sa monovrstiev. Ide o vrstvy uhlíka s hrúbkou jedného atómu, ktoré sa za vhodných podmienok vytvárajú na povrchu napríklad zlata. Výhodou samoorganizovania je, že keď sa to raz spustí, tak by to už malo ďalej bežať samo. Ako taká malá nanotovárnička.
S Pavlom Fejdim o fullerénových kryštáloch
.ako sa dajú z molekulárnych futbalových lôpt vyrobiť kryštály?
Tak najprv potrebujete tie lopty. Z okolia vesmírnych červených obrov, kde ich ľudia pôvodne objavili, sa nám materiál odobrať nepodarí, tak sa musíme snažiť tu na Zemi napodobniť podmienky panujúce v medzihviezdnom priestore. Ľudia skúšali všeličo, medziiným aj ožarovať laserom grafit v podtlaku héliovej atmosféry. Tým získali sadze, ktoré obsahovali molekuly C60. To však na prípravu kryštálov nestačí. Lenže potom sa ľuďom podarilo – a nikdy sa nepriznali, či to bol výsledok systematického postupu, alebo či na to prišli náhodou – rozpustiť tie sadze v jednom z najbanálnejších organických rozpúšťadiel, v benzéne. A keď už máte roztok, tak viete vypestovať kryštály. Ak chcete, môžete si taký kryštál pozrieť tu v mikroskope.
.to má takú zlatú farbu?
Nie, v skutočnosti je to škaredé čierne. Pozlátené je to kvôli tomu, že to išlo do skenovacieho elektrónového mikroskopu, kde zlato slúži ako vodivá pokrývka a zároveň ako emitor sekundárnych elektrónov. Potom sú z toho pekné obrázky s veľkou hĺbkou ostrosti. Také kryštály, aké vidíte, upiekli v roku 1992 vo Viedni na Katedre fyziky tuhých látok. Vyrábali to z fullerénového prášku, v tom čase stál gram takého prášku 3 800 dolárov, a to mal dolár iný kurz ako dnes. No a tí Rakúšania ma požiadali, aby som im urobil morfológiu tých kryštálov.
.to je čo?
Morfológia znamená pomerať uhly medzi plochami kryštálu a na základe týchto meraní zistiť, v akej sústave to kryštalizuje. To sa totiž naozaj dá zistiť aj podľa vonkajšieho tvaru. Je to v podstate taká škatuľografia, ale je veľmi užitočná. Keď robí mineralóg prospekciu na diamanty niekde v Juhoafrickej republike na juhu Kalahari, tak podľa čoho sa bude orientovať? Na hmotnostné spektrografy alebo röntgeny môže zabudnúť, a škatuľografia je veľmi dobrou metódou získavania dôležitých informácií. A ten fullerén je príklad toho, že táto metóda pomohla aj pri štúdiu materiálov, ktoré dostali v deväťdesiatom šiestom Nobelovu cenu.
.čo ste o tom fullerénovom kryštále zistili?
Že je kubický ako hrom. Na prvý pohľad síce vyzerali kryštály C60 ako hexagonálne, ale keď sa všetko poriadne premeralo, tak vysvitlo, že sú kubické. A keďže som sa ukázal ako firma rýchla, lacná a spoľahlivá, tak mi poslali na meranie aj kryštály C70. A to bol fascinujúci materiál, pri tom som ani nespal. Čím viac som sa mu venoval, tým menej som mu rozumel. Najprv šlo všetko hladko: sadol som si ku goniometru ameral. Nameral som šesťdesiatstupňové uhly, takže to vyzeralo hexagonálne, a tak to aj podľa teoretických výpočtov malo byť. Lenže, keď som začal merať iné uhly, tak mi vychádzali šesťdesiatstupňové aj tie, ktoré také byť nemali. Takže bolo niekoľko možností. Prvá: blbý je kryštál, dobrý je goniometer a ja. Druhá: blbý je aj kryštál aj goniometer aj ja. A tak ďalej, spolu sedem možností. Nakoniec bola správna ôsma možnosť. Všetko bolo v poriadku, len bolo treba veci správne interpretovať. Niektoré z tých šesťdesiatstupňových uhlov nezodpovedali uhlom v monokryštále, ale takzvaným zrastom. Výsledok – nikto mi neveril.
.kto vám neveril? Tí Rakúšania?
Ani oni, ani nikto iný. Ja som si hovoril, veď predsa ma tu nebude terorizovať nejaký fullerén, tak som poprosil kolegov na fyziológii rastlín, aby mi to narezali na priesvitné rezy. Strčil som to do banálneho a skoro až nevedeckého prístroja, ktorým je polarizačný mikroskop, a správalo sa to všelijako možne, len nie ako hexagonálna vec. Výsledok – nikto mi neveril. Ale ja som to videl. Nešiel som na to vedecky, nejakými drahými prístrojmi, ale videl som to. Je to komplikovaný zrast, viac o tom neviem povedať.
.mimochodom, prečo vlastne tvoria relatívne inertné molekuly fullerénov kryštalické štruktúry?
Neviem. To sú absolútne vyvážené molekuly, takže tam prichádzajú do úvahy hádam len van der Waalsove sily. Ale ako to drží pokope – neviem. Je fakt, že to nijako silno nedrží, je to mäkké, dá sa to napríklad rezať žiletkou. Ale ako to drží a ako to vytvorí taký nádherný kryštál, aj keď ma zabijete, tak to neviem. Je mnoho vecí medzi nebom a zemou.
.čo si myslíte o budúcnosti fullerénov?
Po objave vznikol obrovský boom, ako to často býva. Urobilo sa veľa experimentálnej práce a dozvedeli sme sa všeličo nové. Teoretickí chemici – ktorým nič nie je sväté a za celý život nepotrebujú jedinú skúmavku – spočítali, že na báze týchto štruktúrnych motívov možno očakávať materiály tvrdšie ako diamant, že možno očakávať vysokoteplotné supravodiče a všeličo iné. Ale zatiaľ neviem o tom, že by sa niečo také podarilo uskutočniť. Teraz mi to pripadá ako štádium vytriezvenia po počiatočnej eufórii.
V sérii piatich článkov venovaných uhlíku sme sa nedostali k najväčšiemu uhlíkovému hitu posledných desaťročí – k veľkým molekulám zloženým len z atómov uhlíka. Prvá a dodnes asi najznámejšia takáto molekula má naozaj štruktúru futbalovej lopty zošitej z dvadsiatich pravidelných šesťuholníkov a dvanástich pravidelných päťuholníkov.
Objav skutočnosti, že futbalová lopta sa vyskytuje už na molekulárnej úrovni, si podľa časti redakcie .týždňa zaslúži Nobelovu cenu už len kvôli tomuto skvelému športu. Ale futbal asi nebol ten hlavný dôvod, veď ani len meno jej po ňom nedali. Tak čo bolo tým dôvodom? Čo je na tej molekule také zaujímavé? Išli sme sa opýtať na Prírodovedeckú fakultu Univerzity Komenského. Odpovedali nám chemik Ivan Černušák a mineralóg Pavel Fejdi.
S Ivanom Černušákom o fullerénových molekulách
.ako prišli ľudia na to, že existujú molekuly uhlíka v tvare futbalovej lopty?
Náhodou. Pri skúmaní tmavej hmoty vo vesmíre ukázali astrofyzikálne pozorovania uhlíkatých hviezd niektoré zvláštne spektrálne čiary. Jedna z možností vysvetlenia tohto prekvapujúceho objavu bola existencia veľkých molekulových reťazcov zložených z desiatok atómov uhlíka. V roku 1985 urobili Kroto, Curl a Smalley sériu pokusov, v ktorých sa im podarilo ožarovaním grafitu laserom vyrobiť a následne pomocou hmotnostného spektrografu identifikovať molekuly uhlíka C60 aj iných veľkých uhlíkových molekúl.
.a ako prišli na to, že tá veľká molekula má tvar futbalovej lopty?
Ako som povedal, identifikovali nielen molekulu s 60 atómami, ale aj so 70 atómami a aj rôzne iné počty. A všetko to boli takzvané magické čísla, čiže počty vrcholov mnohostenov, ktorých steny tvoria pravidelné mnohouholníky. To, samozrejme, neznamenalo automaticky, že tie molekuly majú tvar takýchto mnohostenov, ale bol to veľmi silný náznak, ktorý bolo potom relatívne jednoduché experimentálne overiť. Inak, v skutočnosti bola molekula uhlíka v tvare futbalovej lopty teoreticky predpovedaná dávno pred samotným objavom, ale nikto si to nevšimol. Tú predpoveď totiž urobil Japonec Eiji Osawa, lenže výsledky svojich výpočtov a úvah publikoval len v lokálnom vedeckom časopise a navyše v japončine. Dnes sa Osawova práca s obľubou uvádza ako jeden z excelentných výsledkov chemického modelovania.
.prečo sa molekula s tvarom futbalovej lopty nevolá podľa nejakého futbalistu?
Pretože sa volá podľa architekta. Jednoducho, objavitelia uhlíka C60 mali asi bližší vzťah k architektúre ako k futbalu. A v takom prípade je ich výber mena pre novú molekulu celkom prirodzený. Richard Buckminster Fuller bol americký architekt, ktorý navrhoval pavilóny v tvare takzvaných geodetických dómov, ktoré majú analogickú štruktúru ako futbalová lopta. Napríklad americký pavilón pre svetovú výstavu v roku 1967 v Montreali. Objavitelia zvolili pre molekulu názov C60 buckyball, ale neskôr sa pre celú triedu takýchto molekúl ujal názov fullerény.
.ako sa dá taká molekulárna lopta využiť?
Keď sa do fullerénu podarí preniesť nejakú molekulu, povedzme liečiva, tak tá molekula je v inertnom obale. A ide pritom o malé množstvo. Niektoré liečivá sa podávajú v zbytočne veľkých množstvách, a tak vznikla idea podávať presne stanovené množstvo fullerénu s inkorporovaným liečivom. Myslelo sa hlavne na cytostatiká, ale aj na iné liečivá s veľmi špecifickým lokálnym účinkom. Základná idea bola, že keď sa fullerén dostane na miesto určenia, tak sa nejakým spôsobom rozruší, napríklad žiarením, a liečivo bude môcť účinkovať.
.funguje to?
Testovalo sa to a fungovalo to, ale pokiaľ viem, tak sa to zatiaľ v medicíne nevyužíva. Pôvodne sa totiž myslelo, že fullerén nebude mať nijaký účinok na organizmus, ale potom to bolo v niektorých prácach spochybnené. Ale uzavretie nejakých atómov, iónov alebo aj celých molekúl vo fulleréne a ich neskoršie vypustenie sa využíva napríklad v chemickej syntéze. Existuje obrovské množstvo prác, ktoré sa venujú práve takýmto aplikáciám.
.a tie ďalšie fullerény majú aké využitie?
Objav z roku 1985 otvoril úplne novú oblasť chémie, ktorá sa dnes volá nanochémia. Keď sa ľudia začali hrať s inými fullerénmi než len s C60, tak veľmi rýchlo prišli na to, že tie uhlíkové reťazce sa dajú splietať do rúrok. Tým vznikli dve veľké oblasti – nanotrubice a nanorohy. Tie prvé sú trubice s priemerom niekoľkých rozmerov atómu, to druhé je to isté, ale je to navyše z jednej strany uzavreté. A práve ten hrot má všestranné využitie, pretože sa dá použiť na atómové a molekulové manipulácie. Napríklad aj na uskladňovanie vodíka. A nanorúrky sa v princípe dajú použiť ako vodiče na prepájanie obvodov na veľmi hlbokej úrovni miniaturizácie v elektronike. Okrem toho majú nanorúrky veľmi zaujímavé mechanické vlastnosti, takže keby sa podarilo vyrábať naozaj dlhé nanorúrky, tak by sme mali nesmierne tenké a mimoriadne pevné vlákna. A využitie takýchto vlákien by bolo naozaj až takmer na úrovni sci-fi.
.čiže hlavným prínosom objavu fullerénov bolo otvorenie novej, širokej a perspektívnej oblasti výskumu?
Asi sa to dá takto povedať. Ale zrejme by sa malo hovoriť nie o jednej, ale o mnohých oblastiach. Veľmi veľa sa robí napríklad v oblasti takzvaných samoorganizujúcich sa monovrstiev. Ide o vrstvy uhlíka s hrúbkou jedného atómu, ktoré sa za vhodných podmienok vytvárajú na povrchu napríklad zlata. Výhodou samoorganizovania je, že keď sa to raz spustí, tak by to už malo ďalej bežať samo. Ako taká malá nanotovárnička.
S Pavlom Fejdim o fullerénových kryštáloch
.ako sa dajú z molekulárnych futbalových lôpt vyrobiť kryštály?
Tak najprv potrebujete tie lopty. Z okolia vesmírnych červených obrov, kde ich ľudia pôvodne objavili, sa nám materiál odobrať nepodarí, tak sa musíme snažiť tu na Zemi napodobniť podmienky panujúce v medzihviezdnom priestore. Ľudia skúšali všeličo, medziiným aj ožarovať laserom grafit v podtlaku héliovej atmosféry. Tým získali sadze, ktoré obsahovali molekuly C60. To však na prípravu kryštálov nestačí. Lenže potom sa ľuďom podarilo – a nikdy sa nepriznali, či to bol výsledok systematického postupu, alebo či na to prišli náhodou – rozpustiť tie sadze v jednom z najbanálnejších organických rozpúšťadiel, v benzéne. A keď už máte roztok, tak viete vypestovať kryštály. Ak chcete, môžete si taký kryštál pozrieť tu v mikroskope.
.to má takú zlatú farbu?
Nie, v skutočnosti je to škaredé čierne. Pozlátené je to kvôli tomu, že to išlo do skenovacieho elektrónového mikroskopu, kde zlato slúži ako vodivá pokrývka a zároveň ako emitor sekundárnych elektrónov. Potom sú z toho pekné obrázky s veľkou hĺbkou ostrosti. Také kryštály, aké vidíte, upiekli v roku 1992 vo Viedni na Katedre fyziky tuhých látok. Vyrábali to z fullerénového prášku, v tom čase stál gram takého prášku 3 800 dolárov, a to mal dolár iný kurz ako dnes. No a tí Rakúšania ma požiadali, aby som im urobil morfológiu tých kryštálov.
.to je čo?
Morfológia znamená pomerať uhly medzi plochami kryštálu a na základe týchto meraní zistiť, v akej sústave to kryštalizuje. To sa totiž naozaj dá zistiť aj podľa vonkajšieho tvaru. Je to v podstate taká škatuľografia, ale je veľmi užitočná. Keď robí mineralóg prospekciu na diamanty niekde v Juhoafrickej republike na juhu Kalahari, tak podľa čoho sa bude orientovať? Na hmotnostné spektrografy alebo röntgeny môže zabudnúť, a škatuľografia je veľmi dobrou metódou získavania dôležitých informácií. A ten fullerén je príklad toho, že táto metóda pomohla aj pri štúdiu materiálov, ktoré dostali v deväťdesiatom šiestom Nobelovu cenu.
.čo ste o tom fullerénovom kryštále zistili?
Že je kubický ako hrom. Na prvý pohľad síce vyzerali kryštály C60 ako hexagonálne, ale keď sa všetko poriadne premeralo, tak vysvitlo, že sú kubické. A keďže som sa ukázal ako firma rýchla, lacná a spoľahlivá, tak mi poslali na meranie aj kryštály C70. A to bol fascinujúci materiál, pri tom som ani nespal. Čím viac som sa mu venoval, tým menej som mu rozumel. Najprv šlo všetko hladko: sadol som si ku goniometru ameral. Nameral som šesťdesiatstupňové uhly, takže to vyzeralo hexagonálne, a tak to aj podľa teoretických výpočtov malo byť. Lenže, keď som začal merať iné uhly, tak mi vychádzali šesťdesiatstupňové aj tie, ktoré také byť nemali. Takže bolo niekoľko možností. Prvá: blbý je kryštál, dobrý je goniometer a ja. Druhá: blbý je aj kryštál aj goniometer aj ja. A tak ďalej, spolu sedem možností. Nakoniec bola správna ôsma možnosť. Všetko bolo v poriadku, len bolo treba veci správne interpretovať. Niektoré z tých šesťdesiatstupňových uhlov nezodpovedali uhlom v monokryštále, ale takzvaným zrastom. Výsledok – nikto mi neveril.
.kto vám neveril? Tí Rakúšania?
Ani oni, ani nikto iný. Ja som si hovoril, veď predsa ma tu nebude terorizovať nejaký fullerén, tak som poprosil kolegov na fyziológii rastlín, aby mi to narezali na priesvitné rezy. Strčil som to do banálneho a skoro až nevedeckého prístroja, ktorým je polarizačný mikroskop, a správalo sa to všelijako možne, len nie ako hexagonálna vec. Výsledok – nikto mi neveril. Ale ja som to videl. Nešiel som na to vedecky, nejakými drahými prístrojmi, ale videl som to. Je to komplikovaný zrast, viac o tom neviem povedať.
.mimochodom, prečo vlastne tvoria relatívne inertné molekuly fullerénov kryštalické štruktúry?
Neviem. To sú absolútne vyvážené molekuly, takže tam prichádzajú do úvahy hádam len van der Waalsove sily. Ale ako to drží pokope – neviem. Je fakt, že to nijako silno nedrží, je to mäkké, dá sa to napríklad rezať žiletkou. Ale ako to drží a ako to vytvorí taký nádherný kryštál, aj keď ma zabijete, tak to neviem. Je mnoho vecí medzi nebom a zemou.
.čo si myslíte o budúcnosti fullerénov?
Po objave vznikol obrovský boom, ako to často býva. Urobilo sa veľa experimentálnej práce a dozvedeli sme sa všeličo nové. Teoretickí chemici – ktorým nič nie je sväté a za celý život nepotrebujú jedinú skúmavku – spočítali, že na báze týchto štruktúrnych motívov možno očakávať materiály tvrdšie ako diamant, že možno očakávať vysokoteplotné supravodiče a všeličo iné. Ale zatiaľ neviem o tom, že by sa niečo také podarilo uskutočniť. Teraz mi to pripadá ako štádium vytriezvenia po počiatočnej eufórii.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.