Moleculen opslaan in buckyballen

Buckyballen, opgebouwd uit zestig koolstofatomen en daarom aangeduid met de structuurformule C, zijn de laatste jaren een ware rage in de natuurkunde en de scheikunde. Voor het bestaan van de holle, voetbalvormige moleculen, werden in 1985 voor het eerst aanwijzingen gevonden. In 1990 ontdekten onderzoekers een methode om deze moleculen in tastbare hoeveelheden in het laboratorium te maken. Nu worden ze, voornamelijk voor onderzoek, gewoon door enkele gespecialiseerde commerciële bedrijven geleverd. In de natuur (op aarde en daarbuiten) komen buckyballen in kleine hoeveelheden voor. Sinds men naar ze op zoek ging, werden ze inderdaad in gesteenten en buitenaards materiaal aangetroffen. Er zijn ook andere varianten gevonden, bijvoorbeeld het rugbybalvormige C₇₀. Met een verzamelnaam worden deze koolstofmoleculen aangeduid als fullerenen, naar de Amerikaanse architect Buckminster Fuller, die beroemd werd om zijn koepelvormige gebouwen. C₆₀ werd al snel liefkozend buckybal genoemd.

Door hun bijzondere structuur hebben de fullerenen ook bijzondere eigenschappen. Ze zijn mechanisch en chemisch uitermate stabiel. Ze zijn harder dan diamant en bestand tegen grote krachten. De bindingen tussen de koolstofatomen die samen het molecuul opbouwen, zijn zeer sterk. Daardoor reageren ze nauwelijks met hun omgeving. Om die redenen zouden ze bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om er gas in op te slaan; iedereen denkt dan al snel aan waterstofgas. Door hun stabiliteit blijft hun ruimtelijke structuur heel goed bewaard. Dat maakt ze ideaal als modelsysteem voor onderzoek.

Een deeltje in een doosje
Holleman en zijn promotor prof.dr. Gerard Meijer wilden enige jaren geleden onderzoeken hoe het opsluiten van andere moleculen binnen in buckyballen precies in zijn werk gaat. Zo'n molecuul ín een buckybal is een schoolvoorbeeld van wat in de quantummechanica een deeltje in een potentiaalput heet of in drie dimensies een deeltje in een doosje. Dat biedt perfecte omstandigheden om het gedrag van een afzonderlijk molecuul te bestuderen.

Het was inmiddels bekend dat het vullen van C₆₀-moleculen niet gemakkelijk gaat. Er diende zich een alternatief aan: gebruik de ruimtes tussen de gestapelde C₆₀-moleculen in een C₆₀-kristal. Tussen de buckyballen die gestapeld samen dat kristal vormen, ontstaan per buckybal drie holtes, waarvan er één dubbel zo groot is als de twee andere. De krachten tussen de buckyballen zijn vele malen kleiner dan de krachten tussen de afzonderlijke koolstofatomen die één buckybal vormen. Daardoor is het veel gemakkelijker om een deeltje in zo'n grote holte tussen de buckyballen in te krijgen dan binnen ín de buckybal. De afmeting van die grote holte is zodanig dat een koolstofmonoxide (CO)-molecuul er vrijwel perfect in past. De CO-moleculen worden onder hoge druk in het kristallijne C₆₀ geperst. Het blijkt dat zo de meeste van die grote holtes kunnen worden gevuld en dat is zo'n honderd keer beter dan wanneer men de buckyballen zelf probeert te vullen. Bij verwarming van het C₆₀-kristal komen de CO's weer vrij, terwijl de C₆₀-moleculen intact blijven. Kortom, het proces is omkeerbaar, wat voor mogelijke praktische toepassingen essentieel is.

Het CO kan worden gedetecteerd en bestudeerd met infraroodspectroscopie en kernspinresonantie (NMR). Uit de metingen kon Holleman afleiden dat de CO-moleculen in de holtes staan te trillen en te tollen. Hun beweging is afhankelijk van de temperatuur en de ruimte die ze hebben. "Een grote verrassing was de mate waarin de CO's gevoelig zijn voor hun omgeving. Vrijwel ieder detail van het C-kristalrooster zie je in het CO-gedrag terug. Het blijkt dat je de kristalstructuur van C₆₀ heel erg goed moet snappen, om het gedrag van de CO's te begrijpen. Kortom, we hebben een moleculaire rammelaar gemaakt, we kunnen precies zien hoe de CO's rammelen, we kunnen quantummechanische berekeningen tot in detail toetsen, we leren meer over het C₆₀-systeem en we hebben voor onderzoek een fraai modelsysteem gemaakt.

Voor verdere informatie kan men contact opnemen met drs. Iwan Holleman of prof.dr. Gerard Meijer, Katholieke Universiteit Nijmegen, Afdeling Molecuul- en Laserfysica, telefoon (024) 365 21 79/20 25, fax (024) 365 33 11.