Čtyřicet let od vyjití práce pojednávající sférické uhlíkové molekuly neboli fullereny

Fulleren C60 neboli buckminsterfulleren, sférický uhlíkatý agregát o šedesáti atomech, byl poprvé popsán v práci vyšlé před čtyřiceti lety - v časopise Nature 14.11.1985; za to pak byla udělena Nobelova cena za chemii roku 1996.

Článek o pozorování fullerenů C60 a C70 vyšel tiskem v časopise Nature před čtyřiceti lety 14.11.1985. A já – aniž bych to ovšem tušil – jsem po dlouhém úředním schvalování odlétal na stipendium JSPS (Japan Society for the Promotion of Science) do Sappora hned druhého dne, 15.11.1985. Ale na uhlíkatých agregátech jsem přes různé zákazy avšak pracoval už od začátku 70. let (aniž bych ovšem mohl tušit, že si jim později bude říkat fullereny) – pravda pracoval s pomocí materiálního vybavení, které tehdy bylo u nás k dispozici. A plánoval jsem se těmi uhlíkatými agregáty taky zabývat i v japonském Sapporu – ovšem tentokrát s pomocí tamní pokročilé výpočetní techniky. Jak známo, osud někdy dokáže namíchat velmi nepravděpodobné dění. Jak říkával cestovatel Miroslav Zikmund: Život je přesný součet náhod.Odkaz A tak poprvé v životě jsem měl přístup k up-to-date výpočetní technice. Protože jsem avšak byl z Východní Evropy, tak bych na high-tech počítače ani v cizině vlastně přístup mít neměl. To se však v Japonsku (i jinde) řešilo tak, že se podepisovalo místopřísežné prohlášení, že se počítač nebude využívat pro konstrukci jaderných zbraní, raket, ba ani nehlučných lodních šroubů pro ponorky. Specielně v tom posledním případě jsem byl spolehlivě neškodný, neb jsem sice svého času studoval i hydrodynamiku, ale i tak jsem neměl žádnou potuchu, jak by se takový problém řešil. Později jsem pak skutečně zjistil, že toto seamless neboli bezešvé řešení se používalo i v některých dalších zemích - sám jsem ho pak podepisoval ještě aspoň pětkrát, na různých místech planety a ještě i v 90-tých letech.

Molekuly C60, C70 mají podobu symetrických mnohostěnů, které mohou připomínat geodetické kopule, které navrhoval americký architekt jménem R. Buckminster Fuller (a u nás do takovéto kategorie vlastně patří i pavilon Z na brněnském výstavišti). A odtud tedy ten dosti neobvyklý název pro C60 – buckminsterfullerene, a odvozeně pak to označení fullereny pro celou třídu mnohostěnových uhlíkatých agregátů. V roce 1996 pak byla za tento objev udělena Nobelova cena za chemii americko-anglické trojici Robert F. Curl, Harold W. Kroto a Richard E. Smalley. Jejich původní výzkumnou motivací byla snaha vyjasnit možné poměry v okolí uhlíkatých hvězd.

Menší čistě uhlíkaté molekuly Cn byly ovsem známy už o dost dříve, např. spektrum C3 bylo v záření z komet zaznamenáno už v roce 1882. V polovině minulého století identifikoval Otto Hahn se spolupracovníky iony Cn pro n jdoucí až k 15 – a to při studiu jiskrových výbojů mezi grafitovými elektrodami.

Ve své historické práci z roku 1985 provedli H. Kroto a spolupracovníci laserové vypařování rotujícího grafitového disku, produkty transportovali pomocí helia jako nosného plynu do expanzní trysky. Poté produkty analyzovali s pomocí hmotové spektrometrie, která ukázala, že nejhojněji byl zastoupen útvar o 60, a pak o 70 atomech uhlíku. Autoři vyslovili hypotézu, ze v C60 jsou uhlíkové atomy rozmístěny na povrchu koule, vnitřní prostor které je sám prázdný. Uhlíkové atomy jsou podle té hypotézy (čekající pak pět let na potvrzení) na povrchu koule rozloženy rovnoměrně – leží ve vrcholech mnohostěnu zvaného komolý ikosaedr, jehož 32 stěn je tvořeno 12 pětiúhelníky a 20 šestiúhelníky. Vedle názvu buckminsterfullerene se objevilo třeba i jméno footballene, reflektující fakt, že uvedený mnohostěn je využíván i na fotbalovém míči.

Vodítkem pro tuto strukturní hypotézu bylo tehdy pouze hmotové spektrum získané při vypařování grafitu impregnovaného ve vroucím nasyceném vodném roztoku LaCl3. Ukázalo se totiž, ze vyznamně jsou populovány pouze komplexy typu CnLa, z čehož bylo dedukováno, že v C60 je přítomno jen jedno vysoce stabilní vazebné místo, s čímž je právě ikosaedrická struktura konsistentní. Pro C70 byla pak navržena struktura vejčitého tvaru. Tyto struktury byly později skutečně potvrzeny. Což H. Kroto komentoval těmito slovy o struktuře C60: Byla příliš krásná , aby byla falešná. Metallofullereny neboli fullereny obsahující atom či atomy kovů uvnitř fullerenové sféry (jako ten první, nyní zapisovaný symbolem La@C60) jsou dnes již také dosti početnou skupinou sloučenin. A k potvrzení struktury C60 nakonec přispěly i naše výpočty v Sapporu, neb jsme mimo jiné i předpověděli IR spektrum pro C60. A když později bylo C60 možné připravit v makroskopických množstvích syntézou s pomocí elektrického oblouku s grafitovými elektrodami, bylo toto spektrum změřeno a souhlas s výpočty představoval i další potvrzení ikosaedrické struktury C60.

Z historického hlediska stojí za zmínku, že analogické experimentální uspořádání bylo sice už použito v roce 1984 ve výzkumých laboratořích Exxon, práce také obsahovala i distribuce velkých Cn agregátů s výraznými hodnotami pro 60 a 70 atomů, ale v textu není tato okolnost explicitně diskutována, takže se vůbec nijak neuvažovalo o jejich struktuře, a práce sama zapadla.

Jak už řečeno, na problematice čistě uhlíkatých molekul se také pracovalo v Praze, a to už v sedmdesátých letech, jak ostatně ukazuje následující přehled fullerenových publikací pořízený jako Table 4 zpětně pak v roce 1992Odkaz (pro snadněji dostupnou statistiku viz i přílohaOdkaz).

Shodou okolností (protože ústav neměl vlastní počítač) se ty pražské výpočty tenkrát prováděly na počítači Astronomického ústavu ČSAV v Ondřejově (což se docela rýmuje s tím, že C60 byl později prokázán v kosmickém prostoru nebo i v meteoritech). Tehdy totiž na Akademii v Praze naštěstí existovala osvícená Komise pro výpočetní techniku, která dezolátům z ústavů bez vlastního počítače chvályhodně umožňovala využívat techniku jiných pracovišť. Z řady zajímavých vlastností fullerenů zmiňme alespoň jejich supravodivost – a to u směsných krystalů, kdy jsou v prostoru mezi fullerenovými sférami v krystalu umístěny atomy kovů. Např. krystal o stechiometrii Cs3C60 (tzv. dopovaný cesiem) má kritickou teplotu pro supravodivost 35 K. V současnosti spolehlivě prokázanou supravodivost při zatím nejvyšší teplotě ale vykazuje sloučenina LaH10, a to při teplotě až 250 K a vysokých tlacích (mimochodem – poznamenejme, že výsledky stran vysokoteplotních supravodivých systémů bývají dnes poměrně často retrahovány kvůli později zjištěné nereprodukovatelnostiOdkaz).

A teď ještě z poněkud jiného, českého soudku – delimitace té prvé naší laboratoře věnující se fullerenům byla (jak se tehdy mohlo komusi zdát, šalamounsky) zdůvodněna poukazem na jejich izolovanost (šlo totiž o potřebu jakéhosi mocipána tutlat jeho vlastní svérázné praktiky – a kvůli tomuto tutlání eliminovat nehodící se kritiky). Toto šalamounské zastírací (a dodnes nezrušené) zdůvodnění spatřilo světlo světa ausgerechnet ve stejném měsíci, kdy byla u dopovaných fullerenů prokázána ona jejich supravodivost. Což je jedna další ukázka, že při rozhodování v našich domácích výzkumných poměrech se ne vždy postupovalo zcela korektně - takových ukázek je ovšem celá řada (neb v naší vědě byli výzkumníci bohužel občas odcházeni i jen za pouhý kritický názor), třeba: Odkaz, Odkaz, Odkaz.

Mimochodem - pro získání takového stipendia se i v osmdesátých letech muselo postupovat obezřetně. V těch osmdesátkách se sice už z Akademie mohlo jezdit na stáže do ciziny - ovšem za předpokladu, že všechny náklady uhradí zvoucí strana. Takže Akademii to nestálo ani korunu - a dokonce to pro ni bylo v kladných číslech, neb po dobu stáže vyslanému neběžel u nás plat, a zůstaval tak Akademii. Nicméně i zde se ďábel skrýval v detailu - pozvání muselo být tzv. nevyžádané. Což samozřejmě byl nesmysl, neb každou stáž si musíte předem dojednat. Bohužel existovali jedinci, kteří byli schopni udat, když narazili na to, že si někdo dojednává stáž. Mně tak vzaly za své aspoň tři stáže - a vždycky za tím nějak byl můj Osobní UDavač neboli OUD. Těsně před odletem do Sappora mi tehdy zatelefonoval ředitel ústavu (bylo to historicky prvně, když jsem s ním přímo mluvil) a pravil: „Jste si jist, že někde není nějaký váš dopis kterým žádáte o stipendium? Aby to zase někdo neudal.“ Byl jsem si jist, že není,neb po dřívějších zkušenostech jsem korespondenci stran této stáže vedl opravdu konspirativně.

Foto u perexu: Fulleren C60 neboli buckminsterfulleren.Odkaz

This work is licensed under CC BY-NC-ND 4.0