توپ فوتبال شگفت انگيز آقاي اسمالي

کشفي که ساختارهاي کربني را متحول کرد
 

ريچارد اسمالي و همکارانش ساختاري را به دنيا معرفي کردند که شايد هيچ کس فکر نمي کرد علم را اين قدر متحول کند. 60 اتم کربن در کنار هم طوري قرار گرفتند که تمامي ساختارها و ويژگي هاي رايج ترکيبات اين عنصر حيات در کره زمين را تحت تاثير قرار مي داد. ترکيبات کربني جديدي که رساناي جريان الکتريسيته بودند. استحکام مکانيکي آنها بالا بود، در حلال هاي قطبي حل مي شدند و مي توانستند بدون اينکه بدن انسان را مسموم کنند وارد خون شوند؛ توپ فوتبالي که قصه ترکيبات کربن را کلا زير و رو کرد.

تولد ريچارد اسمالي
 

6ژوئن 1943(16خرداد
روز اول سپتامبر سال1985(10شهريور ماه1364)،ريچارد اسمالي در دفتر کارش در دانشگاه رايس در ايالت تگزاس آمريکا، منتظر هارولد کروتو شيمي دان انگليسي بود. شايد در آن لحظه اي که اين دو نفر يکديگر را براي نخستين بار ملاقات کردند انتظار نداشتند که مقاله اي که باهم براي مجله نيچر مي فرستند، جايزه نوبل شيمي را11سال بعد يعني سال1996(1375)نصيبشان کند
ريچارد اسمالي يک شيمي -فيزيک دان پرتلاش بود که در دانشگاه رايس روي کلاسترهاي فلزي کار مي کرد . کلاسترها به گروه هاي بزرگي از اتم ها گفته مي شود که در کنار هم قرار مي گيرند و ساختارهاي بسيار بزرگ در ابعاد ماکروسکوپي يا ميکروسکوپي را به وجود مي آورند. يکي از ويژگي هاي جالب و مورد توجه کلاسترها اين است که تعداد اتم هاي زيادي بايد در کنار هم واقع شوند و ساختارهاي پايداري از نظر شيميايي و ترموديناميکي با توجه به پيوندهاي شيميايي اتم ها ايجاد کنند. اين امر سبب خواص جالب توجهي در اينساختارها مي شود که شايد در ترکيبات شيميايي ديگر کمتر مشاهده شود. ريچارد اسمالي يک دستگاه ويزه براي توليد کلاسترهاي فلزيش درست کرده بود که همين دستگاه مورد توجه کروتوي انگليسي واقع شد. کروتو تا پيش از آشنايي با اسمالي روي زنجيرهاي پيچيده کربني که در فضا وجود داشتند مطالعه و تحقيق مي کرد. او گرد و غبار اطراف بعضي سيارات و اجسام فضايي را مورد بررسي قرار داده و متوجه شده بود که ساختار هاي پيچيده اي از کربن و نيتروژن در آنها وجود دارد. او مي خواست بفهمد که آيا با شبيه سازي شرايط مربوط به جو و فضا مي توان ترکيبات مشابهي از کربن را ايجاد کرد يا نه براي همين با اسمالي تماس گرفت. دستگاهي که اسمالي از آن استفاده مي کرد از يک اشعه پر انرژي از ليزر تشکيل شده بود که مي توانست هر نوع ماده شناخته شده اي را تبخير کرده و به يک پلاسماي با درجه حرارت بالا تبديل کند. همين بخار با درجه حرارت بالا چيزي بود که کروتومدنظر داشت، زيرا ايجاد شرايط مشابه جوي و فضايي مستلزم به کار گرفتن حرارت هاي بسيار بالا بود. در هر حال اسمالي پيشنهاد کرد که از گرافيت به عنوان يک منبع غني از کربن استفاده کنند. او يک صفحه گرافيتي را تحت تاثير تابش پرانرژي ليزر قرار داد و بخار ايجاد شده از آن را به سرعت سرد و متراکم کرد. حرارت بسيار بالايي که ليزر ايجاد کرده بود سبب شکستن پيوندهاي اتم هاي کربن با يکديگر شده و به آنها اين آزادي عمل را مي داد که دوباره با يکديگر ترکيب شده و ساختارهاي جديدي را ايجاد کنند. وقتي ماده جديدي که در دستگاه اسمالي به وجود آمده بود براي شناسايي به آزمايشگاه رفت، يک نتيجه شگفت انگيز به دست آمده بود:ترکيبي که 60اتم کربن داشت!

توپ فوتبال شگفت انگيز وارد مي شود
 

چگونگي قرار گرفتن60اتم کربن در کنار هم مساله بسيار مهمي بود. از آنجايي که ساختار به دست آمده پايداري بسيار بالايي داشت ، اسمالي حدس زد که ترکيب ايجاد شده بايد از لحاظ پيوند هاي شيميايي و ساختار، بسيار منحصر به فرد باشد. از طرفي چنين پايداري اي از لحاظ پيوند و انرژي هاي مربوط به آنها مي بايست مربوط به ترکيبي باشد که تقارن بالايي داشته باشد. تنها ساختاري که به ذهن اسمالي رسيد يک ساختار کروي مشابه توپ فوتبال بود. البته در آن زمان دانشمندان ديگري هم بودند که روي ساختار اين ماده جديد کار مي کردند ولي کسي به نتيجه نرسيده بود تا اينکه اسمالي با استفاده از کاغذ و چسب توانست ساختار مورد نظر خود را که ترکيبي از 20شش ضلعي و12پنج ضلعي بود بسازد. وقتي او مدل کاغذي خود را ارائه کرد همه متوجه شباهت اين ساختار به يک توپ فوتبال شدند. در اين ساختار کروي هر کربن فقط با سه اتم کربن، ديگر پيوند شيميايي داشت و با توجه به چهار ظرفيتي بودن اتم کربن اين به معناي اين بود که بعضي پيوندها ماهيت دوگانه دارند. اسمالي اسم توپ فوتبال را با ک مينستر فولرن يا فولرن به احترام مهندسي به نام مينيستر فولر که اولين بار ساختار هاي5ضلعي و6ضلعي را به کار برده بود، نهاد.

ويژگي هاي فولرن
 

يکي از اصلي ترين ويژگي هاي اين ساختار در اين است که به دليل پايداري بالا از نظر شيميايي بسيار بي اثر است و اين به اين مفهوم است که با هيچ ماده شيميايي ديگري ترکيب نشده و ساختار خود را حفظ مي کند. اين ويژگي کمک مي کند تا بتوان هر نوع ترکيب شيميايي را درون اين ساختار قرار داد بدون اينکه ترکيبات آن تغيير کند. يکي ديگر از ويژگي هاي شگفت انگيز فولرن ها خاصيت انحلال پذيري آنها در بيشتر حلال هاي قطبي و غير قطبي و همچنين آب است که براي يک ترکيب کربني ويژگي منحصر به فردي محسوب مي شود، زيرا کربن يک عنصر غيرقطبي است و نمي تواند در حلال هاي قطبي محلول باشد. کوچک ترين ترکيب فولرن 20اتم کربن و بزرگ ترين آن540اتم کربن دارد.

فولرن و تحول نانولوله ها
 

با استفاده از فولرن ها100ها نوع ترکيب مختلف کشف و مورد استفاده واقع شده است. شايد يکي از بيشترين تاثيرات کشف آقاي اسمالي را بتوان تحولي که فولرن در دنياي نانوتکنولوژي ايجاد کرده دانست. نانوتيوب ها يا همان نانولوله ها يکي از محصولات حاصل از فولرن ها هستند که کاربردهاي زيادي در دنياي نانوتکنولوژي يافته اند. نانولوله ها ساختارهايي استوانه اي از کربن هستند که هر رويه آن از يک نصفه فولرن تشکيل يافته است. انواع مختلف اين نانولوله ها چندين برابر ترکيبات معمولي کربن، خواص گرمايي و هدايت الکتريکي از خود نشان مي دهند. مي توانند به عنوان نيمه هادي در صنايع الکتريکي مورد استفاده قرار بگيرند. همچنين از نظر مکانيکي داراي استحکام بالايي هستند که براي بالا بردن خواص مکانيکي فولادو بتن مي توانند استفاده شوند.

کاربردهاي جنجال برانگيز فولرن در پزشکي
 

در سال1991(1370)يک پزشک به نام سيمون فريدمن از فولرن در درمان دارويي استفاده کرد. او دارويي که مستقيم و يروس اچ اي وي را مورد حمله قرار مي داد درون يک فولرن گذاشت. از آنجايي که فولرن کاملا بي اثر بوده و با ترکيبات شيميايي دارو وارد واکنش نمي شد، به عنوان يک حامل دارويي وارد سيستم جريان خون شده و دارو را تا نزديکي سلول هاي بيمار هدايت مي کرد. براي اينکه فولرن بتواند راه خود را تا نزديکي مولکول هاي هدف پيدا کند روي سطح آن آنتي ژن مربوط به بيماري ايدز قرار داده شد و از آنجايي که آنتي ژن ها مستقيم به سوي مناطقي که آنتي بادي بيماري در آن ايجاد شده باشند حرکت مي کند. فولرن به سرعت مي تواند دارو را به محل سلول هاي بيمار که محل تجمع آنتي بادي ها هم هست، برساند. بنابراين دارو بدون اينکه ديگر قسمت هاي بدن را تحت تاثير قرار بدهد فقط به سلول هاي بيمار مي رسد و در نتيجه عوارض دارويي كاهش زيادي پيدا مي كند.

1970
 

يک دانشمند ژاپني به نام اوساوا به طور تصادفي وقتي در آزمايشگاه خود کار مي کرد. يک ساختار 60تايي از کربن را مشاهده کرد ولي کشف او در حد يک تحقيق دانشگاهي باقي ماند و به اروپا و آمريکا نرسيد. همزمان با او فرد ديگري هم به نام هنسون ساختاري کروي گونه براي اتم هاي60تايي کربن پيشنهاد داد که مورد توجه حتي همکاران دانشگاهيش هم قرار نگرفت و قضيه مسکوت ماند.

1985
 

اسمالي، کروتو و کرل توانستند با پيشنهادي که اسمالي درباره ساختار کروي ترکيب60تايي اتم ها داده بود، اين ترکيب جديد کربني را به نام فولرن به ثبت برسانند و نتايج آن را در مجله نيچر چاپ کنند.

1990
 

اولين بار از فولرن در درمان دارويي بيماري ايدز استفاده شد.

1991
 

نانولوله هاي کربني کشف شدند.

1992
 

براي اولين بار فولرن ها در ترکيبات معدني موجود در منطقه اي در روسيه کشف شدند.

1993
 

ويژگي هاي منحصر به فرد شيميايي فولرن ها در ايجاد پيوندهاي جديد کربني کشف شد.

1996
 

اسمالي، کروتو و کرل جايزه نوبل شيمي را از آن خود کردند.

2010
 

محققان ناسا موفق شدند مقاديري از فولرن ها را در گرد و غبار مربوط به دورترين ستاره کهکشان با فاصله6500سال نوري کشف کنند. وجود فولرن در نزديکي اين ستاره غير قابل انکار بود. زيرا با استفاده از تلسکوپ هاي مادون قرمز ناسا، به خوبي ساختار کروي آن مشاهده شد. کروتو در اين باره مي گويد: «اين کشف به طرز غير قابل انکاري بيان مي کند که فولرن ها چه نقش عظيمي در حيات جهان هستي ايفا مي کنند.»
منبع: دانستنيها شماره 30