FULLERENY - Świat Nauki 3.1997.pdf - Fulereny - ggo9020

Nagrody Nobla 1996

Jak co roku najwybitniejsze osigni«cia w dziedzinie

chemii, fizyki, fizjologii lub medycyny oraz ekonomii

uhonorowano Noblami. Oto krtki przegld nagrodzonych prac

CHEMIA

FULLERENY

ROBERT F. CURL

Rice University

HAROLD W. KROTO

University of Sussex

RICHARD E. SMALLEY

Rice University

prýniowej, w ktrej podlegaj

ponaddwi«kowemu rozpr«-

ýeniu. Podczas takich ekspe-

rymentw atomy ¸cz si«

w zlepki Ð ãklasteryÓ Ð

o rozmaitej wielkoæci.

Dzi«ki och¸odzeniu do

temperatur bliskich zera

bezwzgl«dnego s one wy-

starczajco trwa¸e, by da¸y si«

bada za pomoc spektro-

metru masowego.

Smalley i Curl wykorzy-

stywali t« aparatur« do ba-

dania klasterw krzemu

i innych pierwiastkw, kt-

re mog¸yby okaza si« uýyteczne w tech-

nologii p¸przewodnikw. Gdy przyby¸

Kroto, 1 wrzeænia 1985 roku promieÄ

lasera skierowano na w«giel. Szczegl-

nie ¸atwo powstawa¸y klastery 60-ato-

mowe i (w mniejszym stopniu) 70-ato-

mowe. By¸y to twory zdumiewajco

trwa¸e; C 60 nie reagowa¸ z gazami taki-

mi jak wodr lub amoniak. Dlaczego

fragmenty struktury grafitu lub diamen-

tu mia¸yby nie mie swobodnych (a wi«c

wysoce reaktywnych) wizaÄ

chemicznych? Po kilku dniach

gorcych dyskusji nie tylko

w laboratorium, lecz i w

pewnej meksykaÄskiej re-

stauracji, odkrywcy niety-

powych klasterw doszli

do wniosku, ýe 60 atomw

musi tworzy zamkni«t bry-

¸« z 12 pi«cioktami i 20 sze-

æcioktami. Jest to tzw.

æci«ty ikosaedr, innymi

s¸owy Ð pi¸ka futbolowa.

Dalsze badania wyka-

za¸y, ýe w«giel moýe two-

rzy rozmaite klatkowe

czsteczki, poczynajc od 32-atomowych.

Ich powstawaniem rzdzi tzw. prawo

Eulera: z 12 pi«cioktw i pewnej liczby

szeæcioktw moýna budowa bry¸y za-

wierajce dowoln parzyst, wi«ksz od

22 liczb« naroýy.

Niestety, zestaw doæwiadczalny

Smalleya pozwala¸ wy¸cznie na otrzy-

manie znikomych iloæci w«glowych pi-

¸ek. Dopiero w 1990 roku Donald R.

Huffman i Lowell Lamb z University of

Arizona oraz Wolfgang Krtschmer

i Konstantinos Fostiropoulos z Max-

Planck-Institut fr Kernphysik w Hei-

delbergu znaleli prosty sposb pro-

dukcji ca¸ych gramw nowej substancji,

wytwarzajc ¸uk elektryczny pomi«dzy

dwoma grafitowymi pr«tami. Okaza¸o

si«, ýe kondensujce pary w«gla zawie-

raj duýo fullerenw.

Odkrycie to zapocztkowa¸o burzli-

wy rozwj badaÄ nad t now form

pospolitego pierwiastka. Stwierdzono,

ýe do wn«trza w«glowej czaszy moýna

wprowadza inne atomy (C 60 ma æred-

nic« oko¸o 1 nm). Dodatek cezu lub ru-

bidu pozwala¸ uzyskiwa substancje

nadprzewodzce w temperaturze 33 K.

Fullereny mog teý przybiera kszta¸t

d¸ugich pustych w ærodku rurek (tzw.

nanorurek).

Rýne pochodne fullerenw propono-

wano jako smary, katalizatory lub noæni-

ki lekw. Odpowiednio d¸ugie, pozba-

wione defektw nanorurki moýna by teý

i Richard E. Smalley otrzymali

Nagrod« Nobla z chemii za do-

konane w 1985 roku odkrycie fullerenw.

Ta trzecia forma w«gla charakteryzuje

si« grupowaniem atomw w zamkni«-

te, sferyczne klatki. (Grafit, o strukturze

p¸askiej, oraz diament, o strukturze te-

traedrycznej Ð to dwie pozosta¸e formy.*)

Buckminsterfulleren, C 60 Ð czsteczka

w kszta¸cie pi¸ki futbolowej Ð jest arche-

typem ca¸ej rodziny struktur, ktrych na-

zwa pochodzi od geodezyjnych kopu¸

projektowanych przez amerykaÄskiego

architekta i wynalazc« Buckminstera Ful-

lera. Inni badacze 5 lat pniej znaleli

sposb wytwarzania fullerenw w ma-

kroskopowych iloæciach, otwierajc no-

wy rozdzia¸ chemii organicznej.

Na trop ãw«glowych pi¸ekÓ Curl,

Kroto i Smalley wraz z Jamesem R.

Heathem i Seanem C. OÕBrienem, dok-

torantami w Rice University, wpadli zu-

pe¸nie przypadkowo. Wczeæniej w Uni-

versity of Sussex Kroto uýywa¸ metod

spektroskopowych do badania bogatych

w w«giel atmosfer zimnych gwiazd,

tzw. czerwonych olbrzymw. Jego po-

szukiwania zaowocowa¸y znalezieniem

d¸ugich ¸aÄcuchowych czsteczek za-

wierajcych w«giel i azot.

Angielski naukowiec potrzebowa¸ po-

mocy kolegw z Rice University w Te-

ksasie, aby wyjaæni mechanizm po-

wstawania tych moleku¸ w atmosferach

gwiazd. Smalley by¸ twrc przyrzdu

do generacji ãzlepkwÓ atomowych.

Drobne fragmenty prbki s odparowy-

wane wizk æwiat¸a laserowego, a na-

st«pnie jako plazma ch¸odzone w stru-

mieniu helu i wstrzykiwane do komory

CZSTECZKA W¢GLA C 60

(buckminsterfulleren) przy-

pomina klatk« w kszta¸cie

pi¸ki futbolowej.

ãPIüKA-KRîLICZEKÓ, a æciæle mwic

C 60 (OsO 4 )(4- tert -butylopirydyna) 2 , jest przy-

k¸adem chemicznej modyfikacji struktury

buckminsterfullerenu.

8å WIAT N AUKI Marzec 1997

R obert F. Curl, Harold W. Kroto

NAGRODY NOBLA 1996

wykorzysta w roli dwuwymiarowych

drutw, mocniejszych od stali. Praktycz-

ne zastosowania pozostaj jednak na ra-

zie w sferze projektw i marzeÄ. Nawet

produkcja wysokiej jakoæci prbek do-

æwiadczalnych cigle jest kosztowna i

czasoch¸onna. Panuje jednak pogld, ýe

technologiczne wykorzystanie fullere-

nw to tylko kwestia czasu. Juý dzisiaj

w oczywisty sposb zmieni¸y one teore-

tyczne podstawy chemii i wp¸yn«¸y na

rozwj nauki o nowych materia¸ach.

Szczeglnie waýny jest tzw. karbyn Ð forma alotro-

powa z¸oýona z d¸ugich, liniowych ¸aÄcuchw, od-

kryta na d¸ugo przed fullerenami (przyp. t¸um.).

Ze åwiata Nauki

FULLERENY . Robert F. Curl i Richard E. Smal-

ley, åwiat Nauki , grudzieÄ 1991.

OJCIEC FULLERENîW (SYLWETKA: RICHARD E. SMAL-

LEY) . Philip Yam, åwiat Nauki , listopad 1993.

* Diament, grafit i fullereny s niewtpliwie najle-

piej znanymi, lecz nie jedynymi postaciami w«gla.

FIZYKA

NOWA NADCIEKüA SUBSTANCJA

DAVID M. LEE

Cornell University

DOUGLAS D. OSHEROFF

Stanford University

ROBERT C. RICHARDSON

Cornell University

helu 3, sprawia, ýe s one fer-

mionami Ð podlegaj statysty-

ce FermiegoÐDiraca, ktra nie

zezwala, aby dwa fermiony

znajdowa¸y si« w tym samym

stanie energetycznym.

Jednak w 1957 roku John Bar-

deen, Leon Cooper i J. Robert

Schrieffer opisali sposb, w ja-

ki fermiony mog tworzy

czstki zachowujce si« jak

bozony. Badali oni nadprze-

wodnictwo, zjawisko bezoporowego

przep¸ywu elektronw. Wykazali, ýe

dwa elektrony (ktre pojedynczo s fer-

mionami) mog pod wp¸ywem otacza-

jcych je atomw utworzy par« zacho-

wujc si« jak bozon. Podobnie dwa

atomy helu 3 mog w wyniku bardziej

skomplikowanych procesw (w tym od-

dzia¸ywania magnetyczne) utworzy pa-

r« b«dc bozonem.

Gdy fizycy zdali sobie spraw«, ýe hel 3

moýe uzyska cechy bozonowe, rozpo-

cz«li badania tego izotopu w coraz niý-

szych temperaturach, majc nadziej« na

wykrycie nadciek¸oæci. Wykorzystujc

opracowan w latach szeædziesitych

now metod« sch¸adzania (zapropono-

wan przez I. J. PomeraÄczuka Ð przyp.

t¸um.), Lee, Osheroff i Richardson zbu-

dowali w Cornell University w¸asn apa-

ratur«. W metodzie tej zrobili uýytek z

niezwyk¸ej w¸aæciwoæci helu 3 polegaj-

cej na tym, ýe zestalenie helu 3 wymaga

dostarczenia ciep¸a, poniewaý jego faza

sta¸a jest mniej uporzdkowana od fa-

zy ciek¸ej (odwrotnie niý u pozosta¸ych

substancji). Gdy zwi«ksza si« ciænienie,

moýna powodowa zestalanie helu 3.

NEUTRON

Zamarzajcy hel pobiera cie-

p¸o z otaczajcej go cieczy,

powodujc jej sch¸adza-

nie; w ten sposb moýna

uzyska temperatur«

niýsz od dwch milikel-

winw (0.002 K).

Naukowcy z Cornell

University dokonali

swojego odkrycia, ba-

dajc w¸asnoæci mag-

netyczne helu 3. Oshe-

roff, w owym czasie jeszcze doktorant,

zauwaýy¸ w prbce helu 3 pewn nie-

regularnoæ zaleýnoæci ciænienia od cza-

su, co by¸o zwizane z przejæciem he-

lu 3 do stanu nadciek¸oæci.

Dalsze pomiary wykaza¸y, ýe hel 3

w odrýnieniu od helu 4 ma trzy fazy

nadciek¸e. Rýni si« one ustawieniem

spinw atomw tworzcych par«. W fa-

zie A, w ktr hel 3 przechodzi w tem-

peraturze 2.7 mK, atomy tworzce par«

maj spiny rwnoleg¸e. W temperatu-

rze 1.8 mK hel 3 przechodzi w faz« B,

w ktrej atomy mog mie spiny usta-

wione zarwno rwnolegle, jak i anty-

rwnolegle. Trzecia nadciek¸a faza A1

powstaje, gdy faz« A umieæci si« w ze-

wn«trznym polu magnetycznym; ww-

czas spiny wszystkich par wskazuj ten

sam kierunek.

Kolejne badania wykaza¸y, jak bardzo

nadciek¸y hel 3 rýni si« od nadciek¸e-

go helu 4. W obu tych cieczach w przy-

padku ich obracania powstaj mikrosko-

powe wiry, ktrych wirowoæ przyjmuje

skwantowane wartoæci, ale w helu 3 wy-

st«puje wi«ksza rýnorodnoæ wirw

o bardziej z¸oýonej strukturze.

PROTON

N adciek¸oæ jest zjawiskiem nie-

JDRA HELU 3 sk¸adaj si«

z dwch protonw i neutronu.

zwyk¸ym, specyficznym dla he-

lu. Najcz«æciej wyst«pujcy izo-

top tego pierwiastka hel 4, sch¸odzony

do temperatury 4.2 K, ulega skropleniu.

Sch¸odzony jeszcze bardziej, do tempera-

tury 2.17 K, nie zamarza tak jak wszyst-

kie inne substancje, staje si« natomiast

nadciek¸y; pozbawiony lepkoæci moýe

wyp¸ywa przez najdrobniejsze pory,

a obracany wytwarza mikroskopijne wi-

ry podlegajce regu¸om kwantowym.

Pierwszym naukowcem, ktry zaob-

serwowa¸ zjawisko nadciek¸oæci helu 4,

by¸ (w 1938 roku) rosyjski fizyk Piotr

Kapica. W 1996 roku za wykrycie nad-

ciek¸oæci bardzo rzadkiego izotopu he-

lu o masie 3 (co niegdyæ uwaýano za

rzecz niemoýliw) Nagrod« Nobla

w dziedzinie fizyki otrzymali David M.

Lee, Douglas D. Osheroff i Robert C.

Richardson.

Hel 4 moýe przechodzi w stan nad-

ciek¸y, poniewaý jego atomy sk¸adaj

si« z parzystej liczby czstek elementar-

nych (dwa protony, dwa neutrony i dwa

elektrony) i s bozonami. Bozony to

czstki spe¸niajce pewne regu¸y nazy-

wane statystyk BosegoÐEinsteina, kt-

re zezwalaj, by wszystkie atomy helu

w danej prbce znalaz¸y si« w jednym

wsplnym stanie o najmniejszej energii.

Trac wtedy indywidualnoæ i zacho-

wuj si« jak jedna ca¸oæ Ð mwimy, ýe

wszystkie atomy maj t« sam funkcj«

falow opisujc ich stan kwantowy.

Makroskopowo osobliwa Ð identycz-

noæ ta objawia si« jako nadciek¸oæ.

Przez wiele lat po odkryciu nadciek¸o-

æci helu 4 fizycy uwaýali, ýe zjawisko to

nie moýe wystpi w przypadku helu 3.

Nieparzysta liczba czstek elementar-

nych (dwa protony, jeden neutron i dwa

elektrony) sk¸adajcych si« na atomy

NADCIEKü FAZ¢ A1 tworz pary ato-

mw helu 3, ktrych spiny (czerwone

strza¸ki) ustawione s rwnolegle do ze-

wn«trznego pola magnetycznego (nie-

bieska strza¸ka) , dajc wypadkowe

niezerowe namagnesowanie. Ato-

my krý wok¸ siebie w p¸aszczy-

nie rwnoleg¸ej do zewn«trznego

pola magnetycznego.

ZEWN¢TRZNE

POLE MAGNETYCZNE

ATOMY

HELU 3

å WIAT N AUKI Marzec 1997 9

FULLERENY - Świat Nauki 3.1997.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: