První Nobelova cena pro fullereny

Každým rokem se rozrůstající fullerenová komunita to netrpělivě čekala již roku 1991, 1992, 1993, 1994 a 1995, ale došlo k tomu až letos. Svým způsobem to začalo 13. září 1985, kdy dorazil do časopisu Nature článek1 s fotografií fotbalového míče s textem, že byla pořízena na texaském trávníku. Harold Kroto tehdy sice ještě nebyl FRS a Sir, ale nicméně byl znám svými průkazy exotických molekul (jako HC7N) v interstelárním prostoru pomocí mikrovlnných spekter. To mohlo pomoci hladkému otištění článku již 14. 11. 1985. Dnes je však již známo, že celá studie vznikla během pouhých několika dnů a nocí horečné činnosti tří vědeckých pracovníků a dvou studentů. Iniciální experimenty byly provedeny 1. 9. 1985 a hotová práce byla odeslána 11. 9. (což odpovídá 33 pracem za rok).

Do začátku září 95 byl hybnou silou Harold Kroto z university v britském Brightonu, hledající aparaturu, na které by mohl simulovat poměry v okolí hvězd bohatých na uhlík; v této době ovšem věřil na přítomnost hlavně lineárních struktur. O vědě v Británii v té době nepochybně platilo naše současné, že na tom je tak jak je. Kroto nenalezl potřebnou aparaturu na britských ostrovech, ale v texaském Houstonu. Tam Richard Smalley společně s Robertem Curlem vytvořili sofistikované zařízení, které umožňovalo téměř každý materiál vypařit laserem a pak ve směsi s héliem coby nosným plynem ochladit expanzí v trysce a nakonec měřit hmotová spektra. V Houstonu tuto aparaturu používali především na výzkum klastrů polovodičů (Si, Ge). Na Krotovo naléhání Robert Curl zprostředkoval možnost zahrnout do výzkumů i grafit, nicméně čekání na volný stroj trvalo 18 měsíců. Pak však Kroto okamžitě (na náklady své choti, jak říká) vyrazil za oceán. Mezitím tým z laboratoří firmy Exxon opublikoval2 hmotová spektra uhlíkatých klastrů až do C190, ale neshledal nějaký z nich zvlášť mimořádným. V Houstonu ale již 4. září získali hmotnostní spektra s dominací píků odpovídajících C60 a C70. Singulárnost těchto píků se dala ladit tlakem He ve vypařovací komoře. V té chvíli vzplála chemická zvědavost všech účastníků a pokračování polovodičového programu bylo pozdrženo (fakticky nebyl nikdy v původní intenzitě restartován). Zbytek Krotova pobytu se soustředil na spekulace o možné struktuře. Když se ryze empiricky podařilo slepit papírový model s pravidelným rozmístěním pěti- a šestiúhelníků na povrchu koule a takto vzniklý mnohostěn měl šedesát vrcholů, byla chemická zvědavost v této vlně uspokojena. O formě presentace rozhodla zpráva z katedry matematiky, že papírový slepenec je komolý ikosaedr známý z povrchu fotbalového míče. Ten byl též zakoupen a foto zabudováno do publikace. Den po Krotově odletu byl připraven komplex C60La, nikoliv však C60La2, což se pak stalo základem pro poněkud rigorosnější diskuse strukturní hypotézy. Ježto podobný typ sférických mnohostěnových struktur též využíval při svých konstrukcích výstavních pavilonů a jiných geodetických dómů americký architekt R. Buckminster Fuller, byla práce nadepsána - C60: Buckminsterfullerene. Podobnou kulovitou strukturu navrhli i pro C70 a tak se začala rodit celá početná rodina kulovitých uhlíkatých molekul, dnes stručně nazývaných fullereny.

Z minima tehdy dostupných experimentálních informací, zkombinovaných s léty chemických zkušeností a s pořádnou dávkou intuice a odvahy tým vytěžil hypotézu, která byla beze zbytku potvrzena až v roce 1990. V období 1985 až 1990 se ve výzkumu fullerenů však mnoho neudálo. Harold Koto to dnes nazývá pět dlouhých roků v poušti. Aparatura v Houstonu totiž dokázala poskytnout jen mimořádně malá množství nových látek, navíc jen v plynné fázi (konvenční organická syntéza C60 neposkytla dodnes). Fullerenová strukturní hypotéza byla proto prvně podpírána jen výpočty a část chemické obce k ní byla rezervovaná. V roce 1990 americko-německý tým fyziků z arizonské university a Ústavu Maxe Plancka vypracoval3 syntetickou metodu pracující s grafitovým elektrickým obloukem. To umožnilo produkci fullerenů již v gramových množstvích. Není bez zajímavosti, že při vzniku nové syntetické metody byla pro její tvůrce užitečným (a jediným) vodítkem výpočty předpovězená infračervená spektra.

Od roku 1990 dosud stále probíhá exponenciální růst4 fullerenových výzkumů v chemii, fyzice a materiálové vědě. Byla izolována řada vyšších fullerenů jako C76 a C84. Byly připraveny četné chemické deriváty, byla prokázána supravodivost některých jejich sloučenin a magnetické vlastnosti jiných. Byly zahájeny povzbudivé farmakologické testy, prokázány možnosti materiálů tvrdých jako diamant, nelineární optické vlastnosti a mnoho dalšího. Počátek toho všeho je místně i časově určen velmi přesně. Za plného souhlasu fullerenové komunity neboli fullerenistů Královská švédská akademie věd oznámila 9. 10. 1996 udělení Nobelovy ceny za chemii trojici Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smalley a učinila to pozoruhodně krátkou citací: "Za jejich objev fullerenů".

Fullerenisté s optimismem jim vlastním věří, že to pro fullerenové koule a válce není Nobelova cena poslední (a mají už v zásobě řadu kandidátů).
  1. Kroto H. W., Heath J. R., O'Brien S. C., Curl R. F., Smalley R. E.: Nature 318, 162 (1985).
  2. Rohlfing E. A., Cox D.M., Kaldor A.: J. Chem. Phys. 81, 3322 (1984).
  3. Krätschmer W., Lamb L. D., Fostiropoulos K.,Huffman D. R.: Nature 347, 354 (1990).
  4. Braun T.: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 31, 588 (1992).
  5. Curl R. F.: Phil. Trans. Royal Soc. (London) 343, 19 (1993).
  6. Taylor R., Hare J. P., Abdul-Sada A. K., Kroto H. W.: J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1423 (1990).
  7. Huffman D. R., Krätschmer W.: MRS Proc. 206, 601 (1991).
Zdeněk Slanina

Autor se věnuje studiu fullerenů od roku 1985; přispěl5 k vysvětlení zdánlivě vyšší stability C70, predikcí struktury C70 použité6 v první NMR analýze fullerenů, či předpovědi IČ spekter C60 využité7 při budování syntetické techniky grafitového oblouku. V současnosti působí jako universitní profesor a m.j. přednáší i jeden z prvních kursů fullerenové vědy; blíže viz. Who is Who in the World, 1995-97.