Robert Curl Jr. (1998) - The Dawn of the Fullerenes: A Research Adventure

Robert F. Curl Jr. was born in Alice, Texas in 1933. Quite remarkably, he stayed in Texas for almost his entire research career

Good afternoon. I just want to tell you the story of how the fullerenes were discovered because it was certainly the most fun time I ever had in life and I like to share it. In the early 1980’s my colleague Richard Smalley invented a machine to study clusters of atoms of very refractory elements. The machine’s concept was very simple. You took refractor material, impacted the surface of it with a pulse laser light. This would vaporise the material and the laser would atomise it. And this plume of atoms would be then framed in a stream of helium gas, mixed up with the helium, cooled off and the atoms that you’d initially vaporised would come back together and form clusters. And you could add various reagents to the stream of gas so that you could see what would react with the surfaces of these clusters. Then downstream, the gas expanded into a vacuum, into a supersonic jet, was cooled to a few degrees above absolute zero, skimmed into molecular beam and interrogated with a mass spectrometer and so one got essentially a distribution of cluster sizes. That is, typically you’d have a big hump where a maximum would be, correspond to the most abundant clusters. Now may I have the first slide please? This is a picture of Rick Smalley atop this machine. He’s about 2 metres about the floor. So this was for physical chemists at least, big science, you could get inside the main chamber of the machine with no difficulty. What he’s doing at the moment is introducing a region where air could be excluded so that one could ionise clusters with a fluoride laser. May I have the next slide please? Now this is what Harry Kroto was interested in. What happened was that there was a meeting in Austin Texas in March of 1984 and Harry was there and I was there. And I suggested to Harry that he come visit Rice, he came to Rice and he fell in love with our machine, with Rick’s machine. And the reason he fell in love with this machine were these compounds that he was interested in. His colleague David Walton would make compounds like this for him. He would investigate the rotational spectra in a microspectrometer he had to determine the rest frequencies and then go to an observatory, radio astrometry observatory and try to observe the same rotational transitions in various interstellar clouds. And the amazing thing was, he found them. Because these things are fairly difficult to make in the laboratory, polyacetylenes are notoriously tricky to work with. It’s said that most polyacetylene chemists are missing a few fingers as a result of their endeavours. Now the reason that Harry became enthralled with this machine was that the question is, if this is so hard to make in the laboratory, how does it get made in the interstellar medium? And Harry had the idea that, which he’ll tell you about perhaps himself in a minute, that material was expelled from the surface of a carbon star. The carbon atoms would get together, make these chains, pick up a hydrogen at one end and a nitrogen at the other and create the species that he was observing. So Rick and I and our colleague Frank Tittel were engaged in a program of investigation of semiconductor clusters in March of 1984 and we thought we were going to revolutionise the computer business and we were not too interested in getting off on this side track. And it wasn’t until August of 1985 that we finally decided there’s a break in the action, we’ll call Harry and ask him to come over and do his experiments. Next slide please. Then we looked at the literature and there was a group at Exxon, Rohlfing, Cox and Kaldor who had already examined carbon clusters in an apparatus identical with the one that we were working with, and had proved that they could make chain-like species in this region that Harry was interested in, clusters of this size. So we called Harry back and said, looks like this experiment has been done but if you’d like for us to do a few things we’ll do it and send you the data. And Harry’s response was, I’m taking the next plane over there, I want to do this myself. So, let me tell you a bit about this, this is the kind of data that this machine produced. What we have at the bottom is a number of carbon atoms. And what we have going up this direction is a scale that tells you the relative number of clusters of a given size. So that in this particular diagram the carbon 11 cluster has the greatest abundance. Now this is not at all what a typical cluster diagram looks like. Typically you would just have one single hump. There would be some, as I said, some clusters of maximum concentration or maximum amount. And this was very peculiar, not at all like this. In this region you have only odd number clusters, in this region there seems to be some sort of forbidden zone or gap. And in this region you have only even numbered clusters. And it’s very difficult to come up with an explanation for how you can have only even number clusters, this has never been seen in any other cluster distribution. This also shows various magic numbers, 11, 15 and 19 are magic numbers, 60, 70 perhaps are also magic numbers. So Harry came over, he worked with graduate students, Jim Heath and Sean O’Brien, to do the experiments to show that these carbon chain compounds could be made by vaporising carbon and mixing them with something like ammonia to provide the hydrogen atom for one end and a nitrogen atom for the other. And these experiments worked. You certainly could make these chains and so the hypothesis seemed quite viable if that’s the way that these materials got made for the interstellar medium. However in the course of doing these experiments the whole distribution was looked at repeatedly, under all sorts of conditions. And the relative intensity of the peak corresponding to 60 carbon atoms changed a lot depending on what the experimental conditions were. Sometimes it was quite prominent, perhaps maybe 8 or 9 times higher than its nearest neighbour. And so we reached the stage on a Friday afternoon where Harry was going back I believe on Monday. And we had to wrap things up. And we said alright we have a paper out of finding these chains. But we really ought to think about why this 60 peak fluctuates so much. And I remember very clearly that we were sitting in Rick’s office and as a group of five of us we agreed this ought to be done. And then the three professors looked at the two graduate students and said why don’t you work this weekend and see how intense you can make this carbon 60 peak. So, may I have the next slide please? So, what happened is that on Monday morning Jim Heath walked in with this spectrum. It’s the same sort of thing except we were looking at only the region from 42 to 86 carbon atoms. Again we had only even number clusters. And Jim Heath had found conditions where this peak was at least 30 times more prominent than its neighbours. So clearly you need to come up with an explanation for this. You can’t ignore a result like this. It was a result sort of like this one that made us believe that we needed to investigate this further. So the main difference between these panels is that as you go from the bottom towards the top, there’s more chance for chemistry to take place in the expansion region, inside of the nozzle. And so, what we knew about the chemical conditions implied that carbon 60 and to a lesser extent carbon 70 was a survivor of chemical attack by carbon atoms and so, one wanted therefore to come up with some unique structure for the 60 carbon atom peak that would reflect this chemical inertness. Next transparency please, next slide please. So here are the kinds of things one might work with. We’ve already seen the chains, the chains typically have a dangling bond at each end. And so this would be a site for chemical reaction just like the divalent carbon here would be a site for chemical reaction. You could get around the chain having a dangling bond at the end if you have a 60 carbon atom chain by making it into a hula hoop. But then there would be no reason to think that a 62 carbon atom hula hoop would be any different in reactivity from a 60 carbon atom hula hoop. The other alternative was to base the structure somehow or another on the structure of graphite. Graphite after all is the most stable form of carbon, these hexagons with the carbon atoms at the vertices. And you could imagine that somehow or another if you made up a piece of chicken wire like this or hexagons like this, that you could fold it around, curve it around and have a dangling bond on one side react with a dangling bond on the other side. And perhaps there would be some way of avoiding dangling bonds. Next slide. And those precedent for this, the structures that Mr. Fuller was so fond of making, looked like chicken wire at first glance, looked like hexagons. And they curve around and they look like they could ultimately close. And in fact, next slide. Some of them like the Expo Dome at Montreal are virtually closed globes. Well there’s a little bit of a problem and that is that Mr. Fuller didn’t tell you how to do this. The Rice library has perhaps 100 books on the works by Mr. Fuller. And if you look through those books, it’s relatively difficult to find any kind of picture that tells you what to do. So there was a famous luncheon at the Mexican restaurant which Harry can perhaps tell you a bit about in more detail because I wasn’t there. All I know is what I’ve been told. We were discussing how can we make a closed form of this cage, we’d been talking about that. And Harry said, well, a few years back I made a thing out of cardboard to study the constellations. It was about so big and it was roughly a globe in shape but it was a polyhedron, it was made up of hexagons and I think pentagons. And it might have had 60 vertices. And so everybody, what happens in these discussions is everybody says, um, that’s very interesting, and changes the subject and that’s what happened on this occasion. But people don’t forget these things. And this was around 1 o’clock in the afternoon perhaps when this came up. And this began to gnaw on Harry during the afternoon. And by a little bit after dinner time, I think around 6.30 or 7 he really wanted to see this straight thing he had made and he wanted to count the vertices on it to see if it had 60 vertices. And so he said, he came to me and he said, I want to call my wife, Marg, who is here today, and get her to get this thing out and count the vertices. And I said, um, Harry it’s what, 2.30 in the morning in Brighton, I don’t know. And then I asked him the killing question, Harry do you know where it is? Well, it’s been a while since I’ve seen it. And so I said it can wait till morning. You know, what the heck, why wake her up in the middle of the night to count, you know to find this thing and count the vertices. Many wives would not appreciate this. So Harry agreed with me it could wait till morning. But it couldn’t wait till morning because Rick hadn’t forgotten about the idea that this thing was made of hexagons and maybe pentagons. So he went home and he cut out a bunch of hexagons out of paper and he cut come pentagons with the same linked edges out of paper. And he tried to put them together and to make some closed structure with 60 vertices. And from what he tells me, once he started working with pentagons it turned out to be trivial. You start with one pentagon and you put 5 hexagons around it and you already have a bowl-shaped object. And so the next morning, he lived at that time far away from Rice. Next morning he called me and said I’m on my way to work, get everybody together in my office, I found the solution. Next slide please. And he came in and he threw this object on the table in the office. And of course none of us bothered to count the vertices, we knew it had 60 vertices or he wouldn’t have come in claiming that this was a solution. But I’m always one not to give up too easily so I said well we really got to see if the bonding of carbon works out. And so we pasted these little pieces of extra paper that had double bonding on them to see if we started out making the number of bonds from each carbon be 4 on one side. If when we got around to the other side, it would work out, there would be no carbons with either 3 bonds or 5 bonds. And it worked out and so I said oh I believe this must be the right structure. So we called the chairman of the math department at Rice. We didn’t know what this was and said we’ve got this object that’s got 20 hexagons and 12 pentagons, 60 vertices, what is it. He said well let me look it up and I’m sure I can find out the answer. In and about 5 minutes he called back and I happened to be the one that picked up the phone. And he said what you’ve got there is a soccer ball. I was somewhat taken aback by this comment. And I pretended, you know you try to somehow or another shift your ground a bit, I said well what's its technical name, like I knew it was a soccer ball. And he said well it’s a truncated icosahedron and you guys haven’t discovered anything new. We mathematicians have known about this for quite a while. So anyway we got the computer model made, (next side please), of this molecule, this is what it is with the bonding, of course the carbon atoms are vertices. This particular catalase structure, that is, you could move the double bonds around in many different ways, actually 12,500 different ways. But once for all, the double bonds were only in the pentagon, there was only one structure where the double bonds were, I’m sorry, only in the hexagons. And no double bonds were in the pentagons. And that is by far the dominant structure. So this particular material, it was discovered some time later, reacts like a polyolefin and not like an aromatic compound. As it looks, this looks like benzene but it really isn’t benzene. So we wrote a paper for Nature, a letter to Nature, and we claimed that this new material that no one had ever thought of before would be wonderful. It would do all sorts of things, it would be the carrier for the diffuse interstellar bands. It would be a wonderful lubricant. I don’t think we claimed it would cure the common cold but we quivered on that edge of doing that. And we sent the paper off to Nature and we were really happy. Next slide please. And we had our team photo made. This is Sean O’Brien and this is Jim Heath and you’ve met the other characters in this play. This is our mystery woman, no good story, every good story needs a mystery woman. We still don’t know who she is. Anyway we were very happy about this. We finally found, next slide please, how Mr. Fuller made domes, he put pentagons in them by golly. And so this is a picture of Mr. Fuller revealing his secret. Now as I said we thought we were the first people to ever think of this, next slide, but we weren’t, Eiji Osawa in Japan had thought of this molecule in 1971. By the simple expedient of taking a close look at a soccer ball that his son was playing with. And apparently this was, the idea of this compound was really quite well-known to a large number of chemists. For example the Russians had done a Hückel theoretical calculation on it. Next slide please. And the synthetic organic chemist Orville Chapman who was at UCLA, had looked around for a suitable target for his considerable synthetic organic skills, asked himself supposedly this question, if god would give me the grace to make one molecule, what would that molecule be? And answered his own question with ‘soccer ball C60’. And this was around 1980. He went further than that, he wrote a proposal to the National Science Foundation in the United States. It was funded to make the soccer ball C60 and he set to work with several graduate students to make it. Unfortunately he was not able to make it, no organic chemist has synthesised this molecule by the traditional methods of organic chemistry, at least so far. Now in this period of time when we were discovering that hey this isn’t such a revolutionary and new idea after all, things were very interesting because Harry had gone back to England and we were in the United States. And so we’d send out a lot of reprints or preprints of our paper and we began to get information back. And we were getting slightly different information, us in Houston and Harry in Sussex, that were pointing in the same direction. What we got was a preprint of a paper by Tony Hyman, who had considered once again on this theoretical calculation on soccer ball C60. This was actually the third time it was published, but no one knew that. But he had in his paper a lot of thoughts that have not been sufficiently appreciated. One thought that he had, one thing that he showed was, he considered an alternative closed caged structure for carbon 60 and concluded that it wouldn’t be a good structure because it had 5-membered rings that were bonded together. And he thought this would be a high energy, possibly chemical reactive site. The other thing that he knew was that Euler had in about 1764 explained the rules for how you make polyhedra. And when these rules were applied to a system that contained only 6-membered rings or 5-membered rings, what it said was that as long as you had 24 or more even numbers of atoms, you could make a closed cage solution which would have exactly 12 pentagons in it and the rest would be hexagons. Now what Harry was getting, next slide please, was as somebody pointed out this beautiful little article by David Jones, which was published in 1966 saying, David Jones had a column for the New Scientist where he essentially said crazy ideas that I’ve had about chemistry. And he published under the name of Daedalus because I guess he didn’t want people to think he was crazy for having crazy ideas. He says, Daedalus has conceived a hollow molecule, a closed spherical shell with sheet polymer like graphite whose molecules are flat sheets of benzene hexagons. He proposes to modify the high temperature graphite process by introducing suitable impurities into the sheets to work them, reasoning that it will ultimately close on itself. And almost immediately people told him the suitable impurities ought to be 5-membered rings and you need exactly 12 of them. And essentially what we discovered was, you didn’t really have to do much to modify the high temperature graphite process, all you had to do was let carbon condense, carbon atoms condense from a high temperature. And you would spontaneously make this closed caged compound. Next slide please. And he had, in some of his subsequent work, he had some pictures of this beautiful radiolarian animals which have skeletons that are made of hexagons and pentagons primarily, although if you look carefully, you can see some heptagons in there. And this picture comes out of a book by D’Arcy Thompson on growth and form. D’Arcy Thompson had considered the relationship between geometry and symmetry and the structure of organisms. For example we have bilateral symmetry, a star fish has 5 fold symmetry. And these little animals have sort of spherical symmetry. And so this turns out to be in some ways related to biology. Next slide please. So this led us back to this distribution and the thought that perhaps the reason that there are only even clusters here is because all of these clusters are closed cage compounds, that they’ve already been subjected to considerable chemical attack. And only the ones that were already closed cages survive. Next slide please. Well that makes it a little hard because if these are all closed cages, why are they reacting away? And there is something unique about carbon 60, it’s the smallest cage compound that has no adjacent pentagons in it. And so almost simultaneously, Harry and quite independently the group at Galveston, Thomas Schmalz and Doug Kline and Bill Seitz reasoned that maybe the 5-membered rings that are adjacent to each other, are particularly susceptible to chemical attack. And maybe what's going on here is that C70 is the next smallest closed rhombohedral form that has no adjacent pentagons. Now it turns out to prove this is a formidable challenge. And in fact the group at Galveston who are quite talented mathematicians finally proved it in about 1993. But this is the only one that you can make a non adjacent pentagon structure for easily. Harry tried to make some in this region and never could succeed and was forced essentially to guess. And it is true that this is the next one that has no adjacent pentagons. Next slide please. So what's happening, here’s a C40, what's happening is, if you have a pair of pentagons that are adjacent, these 2 particular carbon atoms that bridge the 2 pentagons are particularly susceptible to chemical attack. And no fullerene has ever been isolated which has adjacent pentagons. Next slide please. Now there are many different isomers, once you get up in the neighbourhood of C60 there are 1,812 closed cage forms of C60. And this is, all but one of the isomers, the soccer ball isomer has adjacent pentagons in it. This is just one of them. Well we had a lot of fun in 1985, almost all the ideas that we had were on the table by the end of 1985. We spent a couple of years defending ourselves and trying to do new experiments to test the fullerene hypothesis. By about 1988 or ’89 we were running out of gas. You go to give a talk, the organic chemist would say let’s see your vile of substance and we’d say we don’t have it, we just have a few molecules in a molecular beam. Ah, and it was clear there was no Nobel Prize in what we had done. And we couldn’t figure out what to do next. Next slide please. And these 2 guys came to our rescue, this is Wolfgang Krätschmer from Heidelberg and this is Don Huffman from the University of Arizona in Tucson. They are physicists who had been interested in carbon particles in space for a long time. Next slide please. They had a machine for making carbon, essentially for making carbon sooth and then looking at it. And this machine consisted of a couple of graphite rods that you ran a current through, heated up the graphite, vaporised the carbon and then they had a little disc that they put above it to collect the sooth on. And they had some peculiar sooth and they wondered what was going on. They usually had an inert atmosphere in here. They wondered what was going on with this peculiar sooth. And after kidding each other around for years they finally decided well maybe it really is C60, maybe we really ought to look for it. And sure enough they discovered that if you had about half an atmosphere of argon in this bell jar and collected sooth here, that that sooth was about 5% a mixture of C60 and C70. And so people around the world started, this was in essentially August of 1990, September of 1990, people around the world started vaporising carbon rods and collecting the sooth from inside the container. You notice it doesn’t land just here, it lands everywhere on the inside of the container. And so most of the research groups looked kind of like this. Next slide please. It was nasty work, scraping the sooth out and shaking it up and dissolving the C60 and the C70 out of it. Next slide please. Once the chemists knew how they could get this material out, then they separated this material and actually Harry’s group was one of the first groups to separate the material. This is C60 in a toluene solution. This is a thin film of C60, this is C70 in a toluene solution and C84 in a toluene solution. And so there are about, I don’t know, perhaps 8 nor 9 different pure fullerenes that have been isolated. And there was a tremendous amount of excitement and a very large number of papers that came out in the year right after 1990 as people worked on this. And so where do we stand today? May I have the next slide please? Well first of all there’s, this material has come out since about 1992. This is a fullerene that’s been elongated and it’s only capped with pentagons on one end. If you do your vaporisation of carbon and add a little bit of metallic iron cobalt or nickel, particularly nickel, to the system, the catalyst takes over the system and converts all the fullerene production into the production of these carbon nanotubes, buckytubes. And a lot of the current excitement is, can we do something with these buckytubes? I mean for example if you could take millions or billions of them and put them together into a cable, all parallel to each other, you would have the strongest cable imaginable. Perhaps 100 times stronger than steel at perhaps a quarter of the weight for the same cross section. Unfortunately no one knows how to do that. But the effort to make something out of this material, also the material is electrically conducting, so you would have electrically conducting extremely strong cable. So just recently people have wondered whatever became of buckyball. Next slide please. This is what we have, I’ve got my slide out of order, apologise, this is what we have and come out of this in terms of the morphology of carbon. We started out with diamond as a three-dimensional network of carbon atoms. So this is basically a three-dimensional material. A well-known other form of carbon is graphite which is basically a two-dimensional material, these sheets of 6-membered rings. Then the nanotubes are one-dimensional materials and the buckyballs would correspond to a zero-dimensional material. So one of the things that’s come out of this is that we can think of carbon as satisfying virtually all forms, in one form or other satisfying virtually all morphologies that are possible in three-dimensional space. Next slide please. So this is what I thought was coming up. In the May 4th 1998 Wall Street Journal this question was asked by Susan Warren. And the obvious answer is, no commercial product has been made out of buckyballs. And her reasoning was that it cost too much, $11,000 a pound for C60 seemed to put it outside the scope of something that would be useful. Even the highest utility material, pharmaceuticals have to cost less than $2,500 a pound. I don’t think this is actually the reason, it is true that it’s hard to scale up the manufacture of C60 because of this basic, the fundamental nature of the process in digging in there and getting the sooth out. But no one has come up with this killer application that’s going to be some great commercial value. And therefore there’s been no reason to drive this price down. Now next slide please. That’s not because people aren’t trying. There’s areas of research who are producing fullerenes, particularly in the hedral metallofullerenes, fullerenes with metals inside. There’s a lot of work on the organic chemistry of fullerenes: Efforts to find applications in biology and medicine, efforts to find applications in optics and electronic devices. But no one as far as I know has come up with that practical application that we’re all thinking of. So in the words of Rick Smalley, we all wonder whether the kid will ever get a job. Thank you. Applause.

Guten Tag. Ich möchte Ihnen erzählen, wie die Fullerene entdeckt wurden, denn das war mit Sicherheit einer der spaßigsten Momente, die ich in meinem Leben je hatte, und an dem möchte ich Sie teilhaben lassen. Anfang der 1980er erfand mein Kollege Richard Smalley eine Vorrichtung zur Untersuchung der Atom-Cluster stark refraktärer Elemente. Das Konzept der Vorrichtung war ganz einfach. Die Oberfläche von Refraktormaterial wurde mit dem Licht eines Pulslasers bestrahlt. Das ließ das Material verdampfen und der Laser atomisierte es. Und diese Rauchwolke aus Atomen wurde dann mit einem Strom Heliumgas bestrichen, vermischte sich mit dem Helium, kühlte sich ab und die zuvor vaporisierten Atome näherten sich einander wieder und bildeten Cluster. Und man konnte dem Gasstrom verschiedene Reagenzien hinzufügen, um erkennen zu können, was mit den Oberflächen dieser Cluster reagieren würde. Weiter hinten expandierte das Gas in ein Vakuum, in einen Überschallstrahl, wurde auf ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, zu einem Molekularstrahl abgeschält und mit einem Massenspektrometer untersucht, und so erhielt man im Wesentlichen eine Verteilung der Clustergrößen, d.h. normalerweise erhielt man einen großen Buckel, wo das Maximum liegt, das den am häufigsten vorkommenden Clustern entspricht. Könnte ich jetzt bitte die erste Folie bekommen? Hier sehen Sie Rick Smalley über dieser Vorrichtung. Er befindet sich etwa 2 Meter über dem Boden. Das war also zumindest für physikalische Chemiker große Wissenschaft, man gelangte ohne Probleme in die Hauptkammer der Vorrichtung. Was er gerade macht ist, er installiert einen Bereich, in der Luft abgesaugt werden konnte, sodass man Cluster mit einem Fluorid-Laser ionisieren konnte. Könnte ich bitte die nächste Folie bekommen? Nun, hier sehen Sie, wofür sich Harry Kroto interessierte. Es gab da ein Treffen in Austin, Texas, im März 1984, und Harry war da und ich war da. Und ich schlug Harry vor, uns in Rice zu besuchen. Er kam nach Rice und er verliebte sich in unsere Vorrichtung, in Ricks Vorrichtung. Und der Grund, warum er sich in diese Vorrichtung verliebte, waren diese Verbindungen, für die er sich interessierte. Sein Kollege David Walton stellte Verbindungen wie diese für ihn her. Er untersuchte die Rotationsspektren mit einem Mikrospektrometer, das er zur Bestimmung der Restfrequenzen hatte, und dann ging er in ein Obeservatorium, ein Observatorium für Radioastrometrie, und versuchte dort dieselben Rotationsübergänge in verschiedenen interstellaren Wolken zu beobachten. Und das Erstaunliche daran war, er fand sie. Da diese Dinger im Labor ziemlich schwer herzustellen sind, ist die Arbeit mit Polyethinen bekanntermaßen verzwickt. Man sagt, dass den meisten Polyethin-Chemikern als Folge ihres Bestrebens ein paar Finger fehlen. Nun, was Harry an dieser Vorrichtung so faszinierte war die Frage, dass, wenn es so schwierig ist, diese Dinger im Labor zu erzeugen, wie werden sie dann im interstellaren Medium erzeugt? Und Harry hatte die Idee, dass - vielleicht wird er Ihnen das in ein paar Minuten selbst erzählen - dass das Material aus der Oberfläche eines Kohlenstoffsterns herausgelöst wird. Die Kohlenstoffatome kämen zusammen, bildeten diese Ketten, nähmen einen Wasserstoff an einem Ende und einen Stickstoff am anderen Ende auf und erzeugten so die Spezies, die er beobachtete. Rick und ich und unser Kollege Frank Tittel waren also im März 1984 mit einem Programm zur Erforschung von Halbleiter-Clustern beschäftigt und wir glaubten, wir würden die Computerindustrie revolutionieren, und waren nicht allzu sehr daran interessiert, auf dieses Nebengleis abzubiegen. Und es dauerte bis August 1985 bis wir uns schließlich entschlossen, eine Pause einzulegen, wir würden Harry anrufen und ihn bitten, rüber zu kommen und seine Experimente durchzuführen. Nächste Folie bitte. Dann warfen wir einen Blick in die Literatur und es gab eine Gruppe bei Exxon, Rohlfing, Cox und Kaldor, die Kohlenstoff-Cluster bereits mit einer Vorrichtung wie dieser, mit der wir arbeiteten, untersucht und bewiesen hatten, dass sie kettenähnliche Moleküle in dem Bereich erzeugen konnten, an dem Harry interessiert war, Cluster dieser Größe. Also riefen wir Harry zurück und sagten, sieht aus, als wäre dieses Experiment schon durchgeführt worden, aber wenn Du möchtest, dass wir ein paar Sachen machen, machen wir das und schicken Dir die Daten. Und Harrys Antwort war, ich komme mit dem nächsten Flugzeug rüber zu Euch, ich möchte das selbst machen. Lassen Sie mich ein wenig darüber erzählen, das ist die Art von Daten, die diese Vorrichtung erzeugte. Was wir ganz unten sehen ist die Anzahl der Kohlenstoffatome. Und wenn wir in diese Richtung hinaufgehen, gibt uns diese Skala die relative Anzahl der Cluster einer bestimmten Größe an. In diesem Diagramm hier kommt der Kohlenstoff-C11-Cluster am häufigsten vor. Nun, ein typisches Cluster-Diagramm sieht eigentlich ganz anders aus. Normalerweise hätte man nur einen einzigen Buckel. Es gäbe einige, wie schon gesagt, einen Cluster mit maximaler Konzentration oder maximaler Menge. Und dies war sehr eigenartig, dem so gar nicht ähnlich. In diesem Bereich gibt es nur Cluster mit ungeraden Zahlen, in diesem Bereich scheint es eine Art verbotener Zone oder eine Lücke zu geben. In diesem Bereich gibt es nur Cluster mit geraden Zahlen. Und es ist sehr schwierig, eine Erklärung zu finden, wie es sein kann, dass es nur geradzahlige Cluster gibt, dies wurde in keiner anderen Cluster-Verteilung je gefunden. Dies zeigt auch verschiedene magische Zahlen, 11, 15 und 19 sind magische Zahlen, 60, 70 sind vielleicht auch magische Zahlen. Harry kam also rüber, er arbeitete mit Doktoranden, Jim Heath und Sean O'Brien, um die Experimente durchzuführen und zu zeigen, dass diese Kohlenstoffketten-Verbindungen durch Verdampfen von Kohlenstoff erzeugt werden könnten, wenn man den Dampf mit etwas wie Ammoniak mischt, um das Wasserstoffatom für das eine Ende und ein Stickstoffatom für das andere Ende zu liefern. Und diese Experimente funktionierten. Man konnte diese Ketten ganz gewiss herstellen und so erwies sich die Hypothese als ziemlich brauchbar, wenn dies der Weg ist, diese Materialien für das interstellare Medium zu erzeugen. Im Laufe dieser Experimente wurde die ganze Verteilung jedoch wiederholt unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Und die relative Intensität der Spitze, die 60 Kohlenstoffatomen entsprach, änderte sich je nach den experimentellen Bedingungen gewaltig. Manchmal trat sie deutlich hervor, vielleicht 8 oder 9 Mal höher als die Benachbarte. Und so erreichten wir an einem Freitagnachmittag den Punkt, an dem Harry, Montag glaube ich, zurückfliegen sollte. Und wir mussten die Dinge zusammenfassen. Und wir sagten, OK, wir haben eine Abhandlung herausgegeben, dass wir diese Ketten gefunden haben. Aber wir sollten wirklich darüber nachdenken, warum diese 60ger-Spitze so stark flukturiert. Und ich erinnere mich genau, wir saßen in Ricks Büro und die fünf von uns stimmten darin überein, dass wir dies tun sollten. Und dann sahen die drei Professoren die beiden Doktoranden an und fragten, warum arbeitet ihr dieses Wochenende nicht und seht mal, wie intensiv ihr diese Kohlenstoff-C60-Spitze machen könnt. So, könnte ich bitte die nächste Folie bekommen? Und so geschah es also, dass am Montagmorgen Jim Heath mit diesem Spektrum hereinkam. Es ist genau dasselbe, außer dass wir diesmal nur den Bereich zwischen 42 und 86 Kohlenstoffatomen betrachteten. Wieder gab es nur geradzahlige Cluster. Und Jim Heath hatte Bedingungen gefunden, unter denen diese Spitze mindestens 30 Mal höher war als die benachbarten. Wir mussten also ganz klar eine Erklärung dafür finden. Man kann solch ein Ergebnis nicht ignorieren. Es war ein Ergebnis in etwa dieser Art, das uns glauben ließ, dass wir dies weiter untersuchen mussten. Der Hauptunterschied zwischen diesen Diagrammen besteht darin, dass, wenn man von unten nach oben geht, es im Ausbreitungsbereich, innerhalb der Düse, eine größere Chance für chemische Reaktionen gibt. Und was wir über die chemischen Bedingungen wussten, ließ darauf schließen, dass Kohlenstoff C60, und etwas weniger stark Kohlenstoff C70, Überlebende eines chemischen Angriffs durch Kohlenstoffatome waren, und so..., daher hatte man das Gefühl, sich eine einzigartige Struktur für diese Spitze bei 60 Kohlenstoffatomen ausdenken zu müssen, die diese chemische Trägheit widerspiegeln würde. Nächste Folie, bitte, nächstes Blatt. Hier sehen Sie die Arten von Strukturen, mit denen man arbeiten könnte. Wir haben die Ketten bereits gesehen, die Ketten haben normalerweise eine ungesättigte Bindung an beiden Enden. Das wäre daher der richtige Ort für chemische Reaktionen genau wie der divalente Kohlenstoff hier ein Ort für chemische Reaktionen wäre. Man könnte verhindern, dass es am Ende der Kette eine ungesättigte Bindung gäbe, wenn es sich um eine Kette aus 60 Kohlenstoffatomen handelt, indem man sie wie einen Hula-Hoop-Reifen anordnet. Dann gäbe es aber keinen Grund anzunehmen, dass ein Hula-Hoop-Reifen aus 62 Kohlenstoffatomen eine andere Reaktivität aufweisen sollte, als ein Hula-Hoop-Reifen aus 60 Kohlenstoffatomen. Die andere Alternative bestand darin, die Struktur irgendwie auf der Struktur von Graphit basieren zu lassen. Graphit ist schließlich die stabilste Form des Kohlenstoffs, diese Sechsecke mit den Kohlenstoffatomen an den Eckpunkten. Und man könnte sich vorstellen, dass, wenn man ein Stück Maschendraht wie dies formt oder Sechsecke wie dies, dass man es herumfalten könnte, es herumbiegen und dafür sorgen, dass eine ungesättigte Bindung an einer Seite mit der ungesättigte Bindung auf der anderen Seite reagierte. Und vielleicht gäbe es eine Möglichkeit, ungesättigte Bindungen zu vermeiden. Nächste Folie. Und die Vorgänger hiervon, diese Strukturen, die Mr. Fuller so gerne baute, sahen auf den ersten Blick aus wie Maschendraht, sie sahen aus wie Sechsecke. Und sie biegen sich herum und sehen aus, als ob sie am Ende ein geschlossenes Gebilde abgeben könnten. Und wirklich, nächste Folie. Manche von ihnen wie der Expo-Dom in Montreal sind beinahe geschlossene Kugeln. Nun, ein kleines Problem gab es aber doch, und das bestand darin, dass Mr. Fuller uns nicht mitteilte, wie man sie bildet. In der Bibliothek in Rice gab es vielleicht 100 Bücher über die Arbeiten von Mr. Fuller. Und wenn man diese Bücher durchschaut, fällt es nicht leicht, irgendeine Art von Bild zu finden, dem man entnehmen kann, was man machen sollte. So gab es also dieses berühmte Mittagessen im mexikanischen Restaurant, von dem Ihnen Harry vielleicht etwas mehr erzählen kann, denn ich war nicht dabei. Ich weiß nur, was man mir erzählt hat. Wir diskutierten, wie man wohl eine geschlossene Form dieses Käfigs herstellen könnte, über den wir gesprochen hatten. Und Harry sagte, tja, vor ein paar Jahren habe ich so ein Gebilde aus Karton hergestellt, um die Anordnungen zu untersuchen. Es war ungefähr so groß und ungefähr kugelförmig, aber es war ein Polyeder, es bestand aus Sechsecken und, ich glaube, Fünfecken. Und es könnte 60 Eckpunkte gehabt haben. Und jeder..., was bei diesen Diskussionen geschieht, ist, jeder sagt, hm, das ist sehr interessant, und wechselt das Thema, und genau das geschah bei dieser Gelegenheit. Aber man vergisst diese Dinge nicht. Und es war vielleicht 13:00 Uhr als diese Bemerkung fiel. Und sie begann im Laufe des Nachmittags an Harry zu nagen. Und kurz nach dem Abendessen, ich glaube, es war 18:30 oder 19:00 Uhr, wollte er sich das Ding, das er gebastelt hatte, genauer ansehen und die Eckpunkte daran zählen, um zu schauen, ob es 60 Eckpunkte gab. Und so meinte er..., er kam zu mir und sagte, er wolle seine Frau anrufen, Marge, die heute hier ist, und sie bitten, dieses Ding herauszuholen und die Eckpunkte zu zählen. Und ich sagte, hm, Harry, wie spät ist es in Brighton, 2:30 Uhr nachts, ich weiß nicht. Und dann stellte ich die tödliche Frage: Harry, weißt Du, wo es ist? Nun, es ist schon eine Weile her, dass ich es gesehen habe. Und so sagte ich, dass es bis zum Morgen warten könne. Stellen Sie sich vor, was zum Henker, warum sie mitten in der Nacht aufwecken, um zu zählen, wissen Sie, um dieses Ding zu finden und die Eckpunkte zu zählen. Die meisten Frauen wären nicht begeistert. Also stimmte Harry mir zu, dass es bis zum Morgen warten könne. Aber es konnte nicht bis zum Morgen warten, denn Rick hatte die Idee nicht vergessen, dass dieses Gebilde aus Sechsecken und vielleicht Fünfecken bestand. Also ging er nach Hause und schnitt eine Handvoll Sechsecke aus Papier aus und ein paar Fünfecke mit genauso verknüpften Ecken. Und er versuchte, sie zusammenzusetzen und eine geschlossene Struktur mit 60 Eckpunkten herzustellen. Und wie er mir erzählte, war es ganz einfach, nachdem er angefangen hatte, mit Fünfecken zu arbeiten. Man beginnt mit einem Fünfeck und fügt 5 Sechsecke drum herum an, und schon hat man ein schüsselförmiges Objekt. Und am nächsten Morgen, er wohnte zu dieser Zeit weit weg von Rice, am nächsten Morgen rief er mich an und sagte, ich bin auf dem Weg zur Arbeit, versammle alle in meinem Büro, ich habe die Lösung gefunden. Nächste Folie bitte. Und er kam herein und er warf dieses Gebilde auf den Tisch im Büro. Und natürlich machte sich niemand die Mühe, die Eckpunkte zu zählen, wir wussten, es hatte 60 Eckpunkte oder er wäre nicht mit der Behauptung hereingekommen, dies wäre die Lösung. Aber ich gehöre zu denen, die nicht so leicht aufgeben, also sagte ich, nun, wir müssen wirklich schauen, ob das mit den Kohlenstoffbindungen hinhaut. Und so klebten wir diese kleinen Zusatzpapierstücke mit der Doppelbindung darauf fest, um festzustellen, ob, wenn wir auf einer Seite anfingen, jedes Kohlenstoffatom mit 4 Bindungen zu ersehen, ob es, wenn wir auf der anderen Seite ankämen, funktionieren würde und es keine Kohlenstoffatome mit entweder 3 oder 5 Bindungen gäbe. Und es funktionierte und so sagte ich, oh, ich glaube, das muss die richtige Struktur sein. Also riefen wir den Vorsitzenden der Mathe-Fakultät von Rice an. Wir wussten nicht, was das war, und sagten, wir haben hier ein Gebilde aus 20 Sechsecken und 12 Fünfecken, 60 Eckpunkte, was ist das? Er sagte, lasst mich das nachschauen, ich bin sicher, ich kann die Antwort finden. Ungefähr 5 Minuten später rief er zurück und gerade ich war derjenige, der den Hörer abnahm. Und er sagte, was Ihr da habt ist ein Fußball. Diese Bemerkung irritierte mich doch etwas. Und ich tat so, wissen Sie, auf die eine oder andere Art versucht man, seine Position ein wenig zu verändern, ich sagte, OK, und was ist sein technischer Name, als wüsste ich bereits, dass es ein Fußball war. Und er sagte, nun, das ist ein abgestumpftes Ikosaeder und ihr Leute habt nichts Neues entdeckt. Wir Mathematiker kennen das schon eine ganze Weile. Egal, wir ließen das Computermodell (nächste Folie bitte) dieses Moleküls erstellen, so sehen also die Bindungen aus, natürlich bilden die Kohlenstoffatome die Eckpunkte. Diese bestimmte Katalasestruktur, d. h., man konnte die Doppelbindungen auf viele Arten herumschieben, tatsächlich auf 12.500 verschiedene Arten. Aber endgültig, die Doppelbindungen gab es nur im Fünfeck, es gab nur eine Struktur, in der sich die Doppelbindungen fanden, tut mir leid, nur in den Sechsecken. Und in den Fünfecken gab es keine Doppelbindungen. Und das ist die bei Weitem vorherrschende Struktur. Dieses besondere Material, es wurde einige Zeit später entdeckt, reagiert wie ein Polyolefin und nicht wie eine aromatische Verbindung. Wie es aussieht..., es sieht aus wie Benzol, aber in Wirklichkeit ist es kein Benzol. Also schrieben wir einen Artikel für Nature, einen Brief an Nature, und wir behaupteten, dass dieses neue Material, an das bisher noch niemand gedacht hatte, tolle Eigenschaften haben würde. Es wäre zu allem Möglichen in der Lage, es wäre der Träger für die diffusen interstellaren Banden. Es wäre ein prima Schmierstoff. Ich glaube nicht, dass wir behaupteten, es könnte eine Erkältung heilen, aber wir zitterten am Ende unseres Werks. Und wir schickten die Abhandlung an Nature und waren richtig glücklich. Nächste Folie bitte. Und wir ließen ein Teamfoto machen. Das ist Sean O'Brien und das ist Jim Heath und die anderen Darsteller dieses Schauspiels haben Sie bereits kennen gelernt. Dies ist unsere Geheimfrau, keine gute Geschichte, jede gute Geschichte braucht eine Geheimfrau. Wir wissen immer noch nicht, wer sie ist. Egal, wir waren sehr glücklich darüber. Wir hatten am Ende herausgefunden, nächste Folie bitte, wie Mr. Fuller seine Kuppeln machte, er setzte Fünfecke ein, zum Kuckuck. Und hier sehen Sie also ein Bild, in dem Mr. Fuller sein Geheimnis offenbart. Nun, wie gesagt, wir dachten, wir wären die ersten Menschen, die je auf so was gekommen sind, nächste Folie, aber das stimmte nicht. Eiji Osawa aus Japan hatte sich bereits 1971 so ein Molekül überlegt. Einfach dadurch, dass er sich den Fußball, mit dem sein Sohn spielte, ein wenig näher ansah. Und anscheinend war dies, die Vorstellung einer solchen Verbindung war einer ganzen Reihe Chemiker ziemlich gut bekannt. Die Russen zum Beispiel hatten dafür bereits eine theoretische Berechnung nach Hückel vorgenommen. Nächste Folie bitte. Und ein Forscher auf dem Gebiet der synthetisch-organischen Chemie, Orville Chapman von der UCLA, der sich nach einem geeigneten Ziel für seine beträchtlichen synthetisch-organischen Fähigkeiten umgesehen hatte, hat sich vermutlich diese Frage gestellt: Wenn Gott mir die Gnade erweisen würde, ein Molekül zu erschaffen, wie würde dieses Molekül aussehen? Und er beantwortete seine eigene Frage mit der Antwort "Fußball C60". Das war um 1980 herum. Er ging sogar noch weiter, er schrieb einen Vorschlag an die National Science Foundation in den Vereinigten Staaten. Und er wurde gefördert, um den Fußball C60 herzustellen, und er machte sich mit mehreren Doktoranden an die Arbeit. Leider war er nicht in der Lage, ihn herzustellen. Kein organischer Chemiker hat dieses Molekül mithilfe der herkömmlichen Methoden der organischen Chemie je synthetisiert, jedenfalls bisher nicht. Nun, dieser Zeitraum, als wir feststellten, dass, hey, dies ist doch keine so revolutionäre und neue Idee, war eine sehr interessante Zeit, denn Harry war nach England zurückgegangen und wir waren in den Vereinigten Staaten. So schickten wir also jede Menge Nachdrucke oder Nachdrucke unserer Abhandlung los und bekamen nach und nach Informationen zurück. Und wir erhielten leicht unterschiedliche Informationen, wir in Houston und Harry in Sussex, die in dieselbe Richtung wiesen. Was wir bekamen war ein Nachdruck einer Schrift von Tony Hyman, der einmal mehr über diese theoretische Berechnung von Fußball C60 nachgedacht hatte. Das war also wirklich das dritte Mal, dass dies veröffentlicht wurde, aber keiner wusste davon. Aber in seiner Schrift gab es eine Menge Ideen, die nicht genug gewürdigt werden. Einen Gedanken, den er hatte, etwas, dass er zeigte, war, er überlegte sich eine alternative Käfigstruktur für Kohlenstoff C60 und zog dann den Schluss, dass dies keine gute Struktur wäre, denn sie bestand aus fünfgliedrigen Ringen, die miteinander verbunden waren. Und er glaubte, dies wäre ein hochenergetischer, möglicherweise chemisch reaktiver Ort. Was er außerdem wusste war, dass Euler 1764 die Regeln zum Herstellen von Polyedern erläutert hatte. Und wenn man diese Regeln auf ein System anwandte, das nur aus sechsgliedrigen Ringen oder fünfgliedrigen Ringen bestand, dann besagten sie, dass, so lange man 24 oder mehr gerade Zahlen von Atomen nimmt, man eine geschlossene Käfigstruktur herstellen könnte, die aus genau 12 Fünfecken bestünde und der Rest wären Sechsecke. Nun, Harry bekam, nächste Folie bitte, diesen, wie jemand bemerkte, wunderschönen, kleinen Artikel von David Jones, der 1966 veröffentlicht wurde und besagte... David Jones hatte eine Spalte im New Scientist, in der er im Wesentlichen verrückte Ideen in der Chemie vorstellte. Und er veröffentlichte sie unter dem Namen Daedalus, weil, so glaube ich, er nicht wollte, dass man ihn für verrückt hielt, weil er verrückte Ideen hatte. Er sagte, Daedalus habe sich ein Hohlmolekül ausgedacht, eine geschlossene, sphärische Hülle aus Schichtpolymer wie Graphit, dessen Moleküle flache Schichten aus Benzol-Sechsecken sind. Er schlägt vor, den Hochtemperaturprozess der Graphitherstellung etwas abzuwandeln, indem in die Schichten zu deren Bearbeitung geeignete Unreinheiten eingeschleust würden, mit der Begründung, diese werden sich am Ende von alleine schließen. Und prompt sagte man ihm, die geeigneten Unreinheiten sollten fünfgliedrige Ringe sein und man bräuchte genau 12 davon. Und unsere Entdeckung bestand im Wesentlichen darin, dass man eigentlich nicht viel tun musste, um den Hochtemperaturprozess der Graphitherstellung abzuwandeln. Alles was man tun musste, war, Kohlenstoff kondensieren zu lassen, Kohlenstoffatome aus hohen Temperaturen kondensieren zu lassen. Und spontan erhielte man diese Käfigverbindung. Nächste Folie bitte. Und er zeigte, in einigen seiner nachfolgenden Arbeiten, zeigte er einige Bilder dieser wunderschönen Strahlentierchen, deren Skelette überwiegend aus Sechsecken und Fünfecken bestehen, obwohl man, wenn man genau hinschaut, auch einige Siebenecke darin erkennen kann. Und diese Abbildung stammt aus einem Buch von D'Arcy Thompson über Wachstum und Form. D'Arcy Thompson hatte die Beziehung zwischen Geometrie und Symmetrie und der Struktur der Organismen betrachtet. So gibt es zum Beispiel bilaterale Symmetrie, ein Seestern weist Fünffachsymmetrie auf. Und diese kleinen Lebewesen weisen eine Art sphärischer Symmetrie auf. Und es stellt sich also heraus, dass dies auf die eine oder andere Art mit Biologie zu tun hat. Nächste Folie bitte. Das brachte uns zurück zu dieser Verteilung und den Gedanken, dass der Grund dafür, dass es nur geradzahlige Cluster gab, vielleicht der ist, dass all diese Cluster Käfigverbindungen sind, dass sie bereits beträchtlichen chemischen Angriffen ausgesetzt waren. Und nur die, die bereits geschlossene Käfige waren, überlebten. Nächste Folie bitte. Nun, das wirft eine andere Schwierigkeit auf, wenn es sich bei allen um geschlossene Käfige handelt, warum reagieren sie und zerfallen. Und Kohlenstoff 60 hat etwas Einmaliges, es ist die kleinste Käfigverbindung, bei der es keine benachbarten Fünfecke gibt. Und beinahe gleichzeitig argumentierten so unabhängig voneinander Harry und die Gruppe aus Galveston, Thomas Schmalz, Doug Kline und Bill Seitz, dass fünfgliedrige Ringe vielleicht besonders leicht chemisch angreifbar sind, wenn sie nebeneinander liegen. Und vielleicht ist genau C70 das nächst kleinste, geschlossene, rhomboedrische Gebilde ohne nebeneinander liegende Fünfecke. Jetzt stellt sich heraus, dass es eine enorme Herausforderung ist, dies zu beweisen. Und wirklich gelang der Gruppe aus Galveston, die ziemlich talentierte Mathematiker sind, 1993 endlich der Nachweis. Aber dies ist die einzige Struktur aus nicht benachbarten Fünfecken, die sich leicht konstruieren lässt. Harry versuchte sich an einigen aus diesem Bereich, aber es gelang ihm nie und er war gezwungen zu raten. Und wirklich ist dies das nächste (Gebilde) ohne benachbarte Fünfecke. Nächste Folie bitte. Was also geschieht, hier sehen sie ein C40, was also geschieht ist Folgendes: Wenn es zwei Fünfecke gibt, die nebeneinander liegen, sind diese beiden Kohlenstoffatome, die die Brücke zwischen den beiden Fünfecken bilden, chemisch besonders angreifbar. Und es wurde nie ein Fulleren isoliert, bei dem es benachbarte Fünfecke gibt. Nächste Folie bitte. Nun gibt es viele verschiedene Isomere, wenn man in die Nähe von C60 vordringt, gibt es 1.812 geschlossene Käfigformen von C60. Und wirklich weisen alle außer einem dieser Isomere, das Fußball-Isomer, nebeneinander liegende Fünfecke auf. Das ist nur eines davon. Nun, wir hatten jede Menge Spaß 1985, beinahe alle unsere Ideen lagen Ende 1985 auf dem Tisch. Wir verbrachten einige Jahre mit unserer Verteidigung und dem Versuch, neue Experimente zum Testen der Fullerenhypothese zu entwickeln. Ewa 1988 oder '89 ging uns der Sprit aus. Man hält einen Vortrag und der organische Chemiker sagt, lass uns doch einmal dein Reagenzglas mit der Substanz sehen, und wir mussten zugeben, dass wir keines haben, wir haben lediglich ein paar Moleküle in einem Molekularstrahl. Ja, und es war klar, dass da kein Nobelpreis drin war, in dem, was wir geleistet hatten. Und wir hatten keine Ahnung, was wir als Nächstes tun sollten. Nächste Folie bitte. Aber dann kamen diese 2 Männer zu unserer Rettung, das ist Wolfgang Krätschmer aus Heidelberg und dies Don Huffman von der University of Arizona in Tucson. Sie sind Physiker, die sich schon länger für Kohlenstoffteilchen im Weltraum interessierten. Nächste Folie bitte. Sie hatten eine Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstoff, vor allem zur Herstellung von Kohlenstoffruß, der dann untersucht werden konnte. Diese Vorrichtung bestand aus einer Reihe von Graphitstäben, durch die man einen Strom schickte, der den Graphit aufheizte, den Kohlenstoff verdampfte und dann gab es eine kleine Scheibe darüber, in der man den Ruß auffing. Und sie erhielten einen besonderen Ruß und wunderten sich, was los war. Normalerweise hatten sie darin eine träge Atmosphäre. Sie fragten sich, was mit diesem besonderen Ruß los war. Und nachdem sie jahrelang darüber gescherzt hatten, entschieden sie schließlich, nun, vielleicht ist es wirklich C60, vielleicht sollten wir wirklich danach suchen. Und tatsächlich entdeckten sie, dass, wenn man bei etwa einer halben Atmosphäre Argon den Ruß in dieser Glasglocke hier auffing, dass dieser Ruß zu 5 Prozent aus einer Mischung aus C60 und C70 bestand. Und so fingen Menschen auf der ganzen Welt an, dies geschah überwiegend im August 1990, September 1990, Menschen auf der ganzen Welt begannen, Kohlenstoffstäbe zu verdampfen und den Ruß aus dem Inneren des Behälters zu sammeln. Man bemerkt, er landet nicht nur genau hier, er landet überall auf der Innenseite des Behälters. Und daher sahen die meisten Forschungsgruppen in etwa so aus. Nächste Folie bitte. Es war eine schmutzige Arbeit, den Ruß abkratzen und aufschütteln und das C60 und C70 herauslösen. Nächste Folie bitte. Nachdem die Chemiker einmal wussten, wie man dieses Material herausbekommt, trennten sie das Material und wirklich war Harrys Gruppe eine der ersten, die dieses Material heraustrennten. Das ist C60 in einer Toluollösung. Das ist eine dünne Schicht von C60, das ist C70 in einer Toluollösung und C84 in einer Toluollösung. Und so gibt es etwa, ich weiß nicht genau, vielleicht 8 oder 9 verschiedene reine Fullerene, die isoliert wurden. Und es gab jede Menge Aufregung und eine sehr große Zahl von Abhandlungen kam direkt im Jahr nach 1990 heraus, als viele Menschen daran arbeiteten. Und wo stehen wir also heute? Könnte ich bitte die nächste Folie bekommen? Nun, zuerst einmal gibt es..., dieses Material wurde etwa 1992 bekannt. Das ist ein Fulleren, das in die Länge gezogen wurde, und es weist nur an einem Ende eine Kappe aus Fünfecken auf. Wenn man den Kohlenstoff verdampft und dem System ein bisschen metallisches Kobalt-Eisen oder Nickel, vor allem Nickel, hinzufügt, übernimmt der Katalysator das System und verwandelt die gesamte Fullerenproduktion in eine Produktion dieser Kohlenstoffnanoröhrchen, Buckytubes. Und eine Menge Aufregung rankt sich um die Frage, kann man mit diesen Buckytubes etwas anfangen. Wenn man zum Beispiel Millionen oder Milliarden davon nehmen und sie zu langen Kabeln, parallel zueinander zusammenfügen könnte, hätte man das stärkste Kabel, das man sich vorstellen kann. Vielleicht 100 Mal stärker als Stahl und vielleicht nur ein Viertel des Gewichts bei demselben Durchschnitt. Leider weiß keiner, wie man das machen kann. Aber die Bemühung, etwas aus diesem Material zu machen, das Material ist auch elektrisch leitfähig, man hätte also elektrisch leitfähige, extrem starke Kabel. Gerade kürzlich haben sich Leute gefragt, was eigentlich aus Buckyball geworden ist. Nächste Folie bitte. Das hier haben wir, meine Folien sind durcheinander, Entschuldigung, das zeigt, was wir haben und was in Bezug auf die Morphologie des Kohlenstoffs dabei herauskam. Wir begannen mit Diamanten als dreidimensionales Netzwerk aus Kohlenstoffatomen. Das ist also im Prinzip ein dreidimensionales Material. Eine bekannte weitere Form des Kohlenstoffs ist Graphit, der im Prinzip ein zweidimensionales Material darstellt, diese Schichten aus sechsgliedrigen Ringen. Dann sind die Nanoröhrchen eindimensionales Material und die Buckminster-Fullerene C60 entsprächen einem nulldimensionalen Material. Eine Schlussfolgerung also ist, dass man sich Kohlenstoff in beinahe jeder Form vorstellen kann, er genügt in der einen oder anderen Form beinahe allen Morphologien, die im dreidimensionalen Raum möglich sind. Nächste Folie bitte. Hier sehen sie, was ich glaubte, würde gesehen. Im Wall Street Journal vom 4. Mai 1998 stellte Susan Warren diese Frage. Und die Antwort ist offensichtlich, kein kommerzielles Produkt besteht aus Buckminster-Fullerenen (Buckyballs). Und ihre Begründung war, sie kosten zu viel, 11.000 USD das Pfund für C60 scheint es aus dem Kreis der Materialien auszuschließen, aus denen etwas Nützliches hergestellt werden könnte. Selbst die hochpreisigsten Rohstoffe, Pharmazeutika, müssen weniger als 2.500 USD pro Pfund kosten. Ich glaube nicht, dass dies wirklich der Grund ist. Natürlich ist es schwierig, C60 in größerem Maßstab herzustellen, das liegt an dieser Grund-, dieser fundamentalen Eigenschaft des Prozesses, reinschaufeln und den Ruß herausholen zu müssen. Aber noch hat niemand diese umwerfende Anwendung gefunden, die einen großartigen kommerziellen Nutzen verspricht. Und darum gab es bisher keinen Grund, den Preis nach unten zu drücken. Jetzt die nächste Folie, bitte. Das liegt nicht daran, dass es niemand versucht. Es gibt Forschungsbereiche, die Fullerene erzeugen, insbesondere im Bereich der flächigen Metallofullerene, Fullerene mit Metallen darin. Es gibt noch eine Menge Arbeit im Bereich der organischen Chemie der Fullerene: Bestrebungen, Anwendungen in der Biologie und Medizin zu finden, Bestrebungen, Anwendungen in der Optik und bei elektronischen Geräten zu finden. Aber soweit ich weiß, hat bisher niemand diese praktische Anwendung vorgeschlagen, die uns allen im Kopf spukt. Um es mit den Worten von Rick Smalley zu sagen: Wir fragen uns alle, ob das Kind je einen Job bekommen wird. Vielen Dank.

Robert Curl Jr. (1998)

The Dawn of the Fullerenes: A Research Adventure

Robert Curl Jr. (1998)

The Dawn of the Fullerenes: A Research Adventure

Comment

Robert F. Curl Jr. was born in Alice, Texas in 1933. Quite remarkably, he stayed in Texas for almost his entire research career. After completing his PhD in Berkeley, California, he accepted an assistant professorship at the Texan Rice University in 1958 and remained there until his retirement, dealing with various problems from the field of physical chemistry. Still - and quite obviously, Curls scientific impulses reached far beyond Texan borders. When he received the 1996 Nobel Prize in Chemistry together with Richard E. Smalley (who also worked at Rice) and Sir Harold Kroto (at the time at the University of Sussex, UK), this was a true example of national and international scientific collaboration. In the present lecture, delivered in Lindau two years after the award, Curl gives a detailed, historical account of this collaboration, which led to the discovery of the Nobel Prize-winning, football-shaped C60 molecule, also known as the Buckminster fullerene or buckyball.In the 1980s, Curl and Smalley were studying metal clusters with an apparatus Smalley had developed in his laboratory. Using high-energy lasers, this apparatus could convert metals (or other materials) into a plasma. The latter was then allowed to expand into a vacuum, where chemical reactions took place. The products of these reactions could eventually be detected with an attached mass spectrometer. This laser-supersonic cluster beam apparatus attracted the attention of Harold Kroto, who was, at the time, studying the formation of carbon chains in space using microwave spectroscopy. Kroto believed that he could simulate the conditions in space using the equipment in Smalley’s lab (indeed, Curl mentions in his talk that ‘Kroto fell in love with this machine.’). Curl established the contact between the two scientists and Kroto came to Smalley’s laboratory in September 1985. Only 11 days after he arrived, the three scientists submitted a letter to the journal Nature reporting the discovery of a football-shaped C60 molecule, which they produced by vaporizing graphite using Smalley’s apparatus. This letter was the first of three publications that should lead to the the Nobel Prize, rendering Kroto’s 11 day visit to Rice the probably most efficient and rewarding scientific collaboration ever. However, Curl also mentions some other contributions to the C60 story, who were not rewarded by the Royal Swedish Academy of Sciences. In his autobiography [1] Curl states that ‘Jim and Sean were equal participants in the scientific discussions that directed the course of this work and actually did most of the experiments.’ In his talk, he further mentions that the C60 molecule had been predicted theoretically by others long before its experimental detection. In concluding, Curl outlines some of the developments that were triggered by C60 research. If the transition metal nickel is added to the graphite being vaporized, for example, carbon nanotubes (‘buckytubes’) are obtained. In contrast to the fullerenes, which have remained largely devoid of practical applications, nanotubes are seen as a promising candidate in various areas of material science and are already being used in turbines, sports gear and scientific instruments, to name a few. In 2006, in the frame of the last of three talks Curl gave in Lindau so far, he should discuss these and other new developments in the field of carbon based materials. David Siegel [1]http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/curl.html

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