C60, een molecuul met een geheugen
C60-moleculen, ook bekend als buckyballen, kunnen door beschieting met hooggeladen ionen worden verhit, waarna ze uit elkaar vallen. De brokstukken of fragmenten waarin het C60 uiteen valt blijken te verschillen naar gelang de verhitting zich heeft gericht op de atoomkernen danwel op de elektronen in het C60. Dat blijkt uit experimenten die in het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen zijn gedaan. Daarbij zijn de moleculen beschoten met twee- en drievoudig geladen ionen van alle atomen van helium tot en met argon (atoomnummer 2 tot en met 18). C60-moleculen hebben, aldus drs. Omar Hadjar en dr. Thomas Schlathölter die de experimenten verrichtten, kennelijk een soort van geheugen voor de manier waarop ze zijn verhit. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen hoe dit geheugen precies werkt en of dit misschien een nieuwe methode levert om onderzoek aan grote moleculen te doen, naast de bestaande techniek van de massaspectrometrie.
C60 is een voetbalvormig molecuul dat bestaat uit zestig koolstofatomen. Sinds het mogelijk is om C60 in grote hoeveelheden te maken is het een van de meest bestudeerde moleculen, mede vanwege zijn aansprekende symmetrische structuur en stabiliteit. De stabiliteit van moleculen kan worden bestudeerd door energie in het molecuul te stoppen en te kijken wanneer en hoe het kapot gaat. De tijdschaal waarop C60 uit elkaar spat is in de orde van 1/100 tot 1/10 nanoseconde (één miljardste deel van een seconde). Hoe kort deze tijd ook is, hij is veel langer dan de tijd waarop de elektronen en atomen van het C60 onderling energie uitwisselen. De algemeen aanvaarde opvatting was dan ook dat het fragmentatiepatroon van een exploderend C60-molecuul onafhankelijk is van de manier waarop je het molecuul verhit, als het maar op een tijdschaal gebeurt die veel korter is dan 1/100 nanoseconde.
Tijdens experimenten in het KVI hebben Hadjar en Schlathölter C60-moleculen verhit op een tijdschaal van femtoseconden (één femtoseconde is éénmiljoenste nanoseconde). Zoals altijd in de natuurkunde is beweging een maat voor de temperatuur en verhit je een systeem door de deeltjes erin via energieoverdracht meer beweging te geven. Bij beschieting met ionen worden zowel de atoomkernen als de elektronen van het C60 verhit. Door met de snelheid, de lading en het atoomnummer te spelen, kan niet alleen de totale hoeveelheid energie sterk worden gevarieerd, maar ook de verhouding tussen het verhitten van elektronen en van atoomkernen ordes van grootte worden gevarieerd.
De verhitting van de kernen is voornamelijk het gevolg van de afstotende krachten tussen de meervoudig geladen ionen en de koolstofkernen van het C60 (de zogeheten lange-afstands Coulombinteractie) die optreedt wanneer beide elkaar passeren. De hoeveelheid overgedragen energie is ruwweg omgekeerd evenredig met de snelheid van de inkomende ionen. De verhitting van de elektronen kan worden beschouwd als de wrijving die het ion ondervindt bij zijn weg door de elektronenwolk van het C60. Deze neemt toe met toenemende primaire energie. Hier komt ook de zeer belangrijke rol van het atoomnummer om de hoek kijken. De wrijvingscoëfficiënt van bijvoorbeeld een koolstofion is bijna tien maal zo groot als die van een neonion. Neon is een edelgas met mooie gesloten elektronenschillenstructuur, terwijl koolstof een 'open' schil heeft.
Een tamelijk directe analogie met het verhitten van atoomkernen en elektronen is het opwarmen van water boven een vuurtje (vergroting van de beweging van de moleculen/atoomkernen) danwel het opwarmen van water in de hete middagzon (door absorptie van licht krijgen de moleculen in eerste instantie aangeslagen elektronen, die dus meer energie hebben).
Uit de experimenten bleek overduidelijk dat de fragmentatiepatronen van C60 zeer sterk afhangen van verhitting van ofwel de elektronen ofwel de atomen. Tegen alle verwachtingen in herinnert C60 zich kennelijk op welke manier het verhit is.
Verder onderzoek zal moeten leren hoe dit "geheugen" van C60 precies functioneert. Praktisch gezien betekent het dat beschieting met meervoudig geladen ionen zou kunnen uitgroeien tot een nieuwe methode om grote moleculen te bestuderen. Massaspectrometrie is de meest gangbare methode om stabiliteit en structuur van biomedische moleculen te bepalen en is gebaseerd op het ioniseren en fragmenteren van deze moleculen. Met standaard massaspectrometrische methoden kunnen eigenlijk alleen de zwakste bindingen van een macromolecuul gebroken worden. Hooggeladen ionen bieden de mogelijkheid om gericht veel meer energie in moleculen te stoppen. Bovendien kan worden gekozen of de energie in de elektronen of in de atomen wordt gepompt.
Drs. Omar Hadjar en dr. Thomas Schlathölter zijn werkzaam als respectievelijk onderzoeker-in-opleiding en postdoc op het KVI (een gezamenlijke onderneming van de Stichting FOM en de Rijksuniversiteit Groningen) in de atoomfysicagroep van dr.ir. Ronnie Hoekstra en prof.dr. Reinhard Morgenstern.
Een publicatie over dit onderzoek verscheen in de Physical Review Letters van 1 mei 2000.