Hyppää pääsisältöön

Nobel-tarinoita 4: Harold Kroto antoi potkun jalkapallomolekyylille

Harold Kroto
Harold Kroto Harold Kroto Kuva: Wikimedia cc harold kroto

Jalkapallonmallinen fullereeni piilotteli pitkään kemisteiltä mutta kun se vihdoin löytyi, siitä kehittyi nopeasti kemian hyvä lähettiläs. ”Se on kaunis molekyyli, jolla on hyvä mainos- ja julkisuusarvo ja josta lapset pitävät”, Harold Kroto kuvailee. Hänet palkittiin fullereenilöydöstä kemian Nobelilla Richard Smalleyn ja Robert Curlin kanssa vuonna 1996.

Nobelin myötä fullereenista tuli kuuluisa. Kauniin symmetrisenä pallerona se jäi helposti ihmisten mieliin ja loi mielikuvan täydellisestä rakenteesta. Leluteollisuus tajusi sen leikkisät mahdollisuudet ja kauppoihin ilmestyivät fullereenilelut ja rakennussarjat, joista lapset ja vähän vanhemmatkin saattoivat koota pieniä ja suuria fullereenihäkkejä.

Fullereenipallonen rakennussarjasta
Rakennussarjan fullereeni Fullereenipallonen rakennussarjasta Kuva: Wikimedia fullereenipallonen rakennussarjasta

Taiteilijatkin innostuivat ja ottivat pallomolekyylin korujen ja koriste-esineiden malliksi. Jopa eläimet saivat osansa, kun lemmikkikauppoihin ilmestyivät kumiset fullereenipalloset koirien pureskeltaviksi.

Fullereenimolekyylissä eli C60:ssä on kuusikymmentä hiiliatomia häkkimäisen jalkapallon muodossa. Pallo muodostuu sekä viisi- että kuusikulmioista. Fullereeni nimettiin amerikkalaisen arkkitehdin Buckminster Fullerin mukaan, joka suunnitteli monikulmioista kupolinmallisen tilan USA:n paviljonkiin Montrealin maailmannäyttelyyn vuonna 1967. Fullereeni nimettiin myös buckminsterfullereeniksi.

C60
C60 C60 Kuva: Wikimedia c60

Putkahtaessaan näyttämölle fullereeni oli tutkijoille melkoinen yllätys. Vielä 1980-luvun alkupuolella kemistit nimittäin uskoivat, että hiiltä on luonnossa vain kolmessa muodossa, timanttina, grafiittina ja epäjärjestyneempänä amorfisena hiilenä kuten puuhiili. Fullereenin myötä hiilen kemia meni uusiksi ja oppikirjat piti kirjoittaa uudestaan.

Kroto katseli avaruuteen mutta fullereeni piileskeli lähellä

1970-luvun puolivälin tienoilla Harold Kroto ja David Walton Sussexin yliopistosta työskentelivät yhteistyössä Chicagon yliopiston kemian ja astrofysiikan professorin Takeshi Okan kanssa ja jäljittivät avaruudessa olevia hiiliyhdisteitä. He suuntasivat avaruusteleskoopin kohti tähtien välistä avaruutta ja havaitsivat siellä molekyylejä, joissa oli pitkiä hiiliketjuja.

Galaksi
Galaksi Kuva: NASA Hubble galaksi

”Pohdiskelin pitkään, mistä hiiliketjut olivat peräisin, ja tulin siihen tulokseen, että ne kenties syntyivät runsaasti hiiltä sisältävissä, punaisiksi jättiläisiksi kutsutuissa tähdissä”, Kroto muistelee.

Vuonna 1984 Kroto tapasi konferenssissa Austinissa Texasissa ystävänsä Robert Curlin ja kertoi tutkimuksistaan. Curl kehotti häntä matkustamaan Houstoniin Rice-yliopistoon tapaamaan Richard Smalleya.

Smalley kehitti höyrystintä, jolla voitiin valmistaa atomiryppäitä. Kun laitteessa laser kohdistettiin atomeista koostuvalle pinnalle, kuten esimerkiksi metallin pintaan, pinnasta irtosi atomeja ryppäänä, jossa saattoi olla viitisenkymmentäkin atomia.

”Höyrystimen nähdessäni tajusin, että jos laitamme siihen grafiittia, voimme höyrystää hiiltä ja simuloida hiilitähden kuumia olosuhteita”, Kroto kertoo.

Aluksi Smalley ei innostunut hiilen höyrystämisestä, mutta lopulta Curl ja Smalley ryhtyivät kokeilemaan Kroton ideaa. Kroto itse saapui Englannista myös paikalle seuraamaan kokeita. ”Höyrystimme hiiltä ja seurasimme, muuttuiko hiili kokeen aikana, ja niin todella näytti tapahtuvan. Pian huomasimme laitteen tuottavan hyvin, hyvin huomattavan signaalin, jonka tajusimme olevan jotakin hyvin tärkeää”, hän muistelee.
”Ajattelimme, että kyseessä saattoi olla pelkkiä hiiliatomeja sisältävä C60- molekyyli”.

Kun he ilmoittivat tuloksesta, muut tutkijat epäilivät eivätkä uskoneet tulkintaan. Kolmikon oli siis lähdettävä tutkimaan hiilirypästä tarkemmin selvittääkseen sen tarkan rakenteen. Tulos varmistui vasta siinä vaiheessa, kun toinen tutkijaryhmä Saksasta ja Arizonasta onnistui valmistamaan laboratoriossa fullereenia niin paljon, että sen tarkka rakenne voitiin määrittää spektrometrisesti.

Fullereenia oli lähempänä kuin aavistettiinkaan

Fullereenia syntyy palamisessa ja kemistit ovat valmistaneet sitä tietämättään laboratoriossa jo puolitoista vuosisataa käyttäessään päivittäin bunsenliekkiä. Miten ihmeessä oli mahdollista, että fullereeni löytyi vasta näin myöhään?

”Oli yllättävää, että meidän piti odottaa jopa 1900-luvun loppuun todetaksemme, että C60 on ollut nenämme alla koko ajan. Jokainen kemistihän sitä on valmistanut laboratoriossa”, Kroto hämmästelee.

”C60 –molekyylejä syntyy aina, kun sytytämme laboratoriossa bunsenliekin ja säädämme liekin niin, että se tulee keltaiseksi. Molekyylit tosin hajoavat heti syntymänsä jälkeen, mutta joka tapauksessa niitä syntyy liekin kuumuudessa hetkeksi”, hän jatkaa.

”Ihminen on aina valmistanut fullereenia, mutta kun se on ollut sekoittuneena muihin aineisiin, emme ole havainneet sitä, vaikka se onkin aina väijynyt lähellämme”.

”Kutsun sitä kolmanneksi mieheksi, joka on henkilö, joka näyttäytyy vain harvoin. Orson Welles oli pääosassa elokuvassa, jossa kolmas mies nähdään Wienin kaupungin katujen varjoissa ja hämyssä. Fullereenilla on samaan tapaan varjoisa olemus, mutta kun olemme huolellisia, voimme havaita sen”.

Fullereenia löydettiin myös yllättäen kallioperästä. ”Tuntuukin, että katsomme mihin tahansa, niin siellä sitä on”, Kroto hämmästelee. Varsinkin palamisen parissa työskentelevien tutkijoiden olisi pitänyt löytää hänen mielestään fullereenia. ”Jos he olisivat käyttäneet samoja laitteita kuin me, he olisivat toki löytäneet sitä”, hän arvelee.

Ilmestyessään vihdoin näyttämölle fullereeni alkoi kiinnostaa kemistejä, jotka ryhtyivät valmistamaan siitä erilaisia muunnoksia. Fullereenista tehtiin pieniä ja suuria pallomuunnoksia ja sisäkkäisiä hiilipalleroita, joiden rakenne muistuttaa sisäkkäisiä venäläisnukkeja. Pian laboratorioista putkahti ulos myös hiilen nanoputkia, rullalle kietoutunutta hiiltä.

Hiilen nanoputkia
Hiilen nanoputkia Hiilen nanoputkia Kuva: Wikimedia hiilen nanoputkia

Fullereenin kemia eriytyi kuin omaksi tutkimusalakseen. Hiilipallosta tuli muovailuvahaa, josta voitiin rakennella mitä ihmeellisimpiä muotoja. Se tuntui inspiroivan tutkijoita pohtimaan myös sovelluksia. Tutkimusmäärärahoja suunnattiin fullereenitutkimukseen, mutta yhä tänäkin päivänä suuret sovellukset antavat odottaa itseään.

C540, fullereenin muunnos
C560-hiilipallonen C540, fullereenin muunnos Kuva: Wikimedia fullereenin muunnos

C-60:n löytyminen avasi kuitenkin näkymät hiilen nanoteknologiaan. Varsinkin hiilen nanoputket ovat lupaavia sovellutusten suhteen, ja nykyisin uskotaan erityisesti grafeeniin, joka rakenteeltaan muistuttaa hiiliatomeista tehtyä kanaverkkoa. Grafeeni löytyi vuonna 2004 ja siitä myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto vuonna 2010 Manchesterissa Englannissa työskenteleville Andre Geimille ja Konstantin Novoseloville.

Vuonna 2015 selvisi että fullereenia mitä ilmeisimmin on todellakin avaruudessa, jossa se on ionisoituneessa muodossa C60+. Päätelmä tehtiin spektriviivojen perusteella. Kroto ei siis turhaan hakenut hiilipallosia avaruudesta.

Leikkisä Kroto viihtyy lasten parissa

Nobelin saatuaan leikkisä ja hauskana kertojana tunnettu Kroto ryhtyi itselleen varsin hyvin sopivaan puuhaan, kertomaan tieteestä suurelle yleisölle. Hän kiersi puhumassa lempimolekyylistään hiilipallosesta eri maissa, molekyylimallit ja vaaleanpunaiset fullereeniliuokset mukanaan. Hän alkoi myös tehdä tv-filmejä ja kun hän oli jo aiemmin aktiivinen graafisen suunnittelun harrastaja, hän nyt saattoi antaa panoksensa myös tieteen visualisointiin. Pian hänestä tuli tunnettu kemian ja fullereenin keulakuva.

Vuonna 1994 Kroto käynnisti yhdessä BBC-tuottajan Patrick Reamsin kanssa Vega Science Trustin, jonka puitteissa tutkijat voivat esitellä tiedettä suurelle yleisölle. Vega Science Trustilla on nettisivu, joka sisältää nobelistihaastatteluja ja muita esityksiä.
Sivustolla voi katsoa vaikkapa tunnin mittaisen Richard Feynmanin luennon. Vega on täysin avoin ja kaikkien käytettävissä. Avoimuus onkin yksi Kroton perusperiaatteista. Myös tieteen pitää olla hänen mielestään kaikkien saatavilla.

Vega Science trust -sivusto

Toinen Kroton hanke on GEOSET, joka sekin sisältää tiedevideoita ja esityksiä maailman johtavista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista.

Geoset-sivusto

Geoset-sivusto

Kroto on ollut ahkerasti mukana järjestämässä tiedeleirejä ja workshopeja lapsille ja on itse matkustanut lasten pariin eri mantereille. Fullereeni on aina näillä retkillä mukana, lapsia inspiroimassa. Se kelpaa hyvin havainnollistamaan kemiaa.

Omilla nettisivuillaan nykyisin Floridan valtion yliopistossa Yhdysvalloissa vaikuttava Kroto esittelee omaa laajaa toimintaansa. Hän on edelleen myös aiemman työpaikkansa, Sussexin yliopiston emeritusprofessori.

Harold Kroton kotisivu

Nobel-sivustolla kerrotaan lisää fullereenista ja vuoden 1996 nobelisteista:

Nobel-sivu

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

Uusimmat sisällöt - Tiede