Nagrody Nobla 1996

Jak co roku najwybitniejsze osiàgnićia w dziedzinie chemii, fizyki, fizjologii lub medycyny oraz ekonomii S

uhonorowano Noblami. Oto krótki przeglàd nagrodzonych prac AP/WIDE WORLD PHOTO

CHEMIA

pró˝niowej, w której podlegajà wysoce reaktywnych) wiàzaƒ

FULLERENY

ponaddêwi´kowemu rozpr´-

chemicznych? Po kilku dniach ROBERT F. CURL

˝eniu. Podczas takich ekspe-goràcych dyskusji nie tylko Rice University

rymentów atomy ∏àczà si´

w laboratorium, lecz i w

w zlepki – „klastery” –

pewnej meksykaƒskiej re-

HAROLD W. KROTO

o rozmaitej wielkoÊci.

stauracji, odkrywcy niety-

University of Sussex

Dzi´ki och∏odzeniu do

powych klasterów doszli

RICHARD E. SMALLEY

temperatur bliskich zera

do wniosku, ˝e 60 atomów

Rice University

bezwzgl´dnego sà one wy-

musi tworzyç zamkni´tà bry-starczajàco trwa∏e, by da∏y si´

∏ź 12 pićiokàtami i 20 sze-Robert F. Curl, Harold W. Kroto badaç za pomocà spektro-

Êciokàtami. Jest to tzw.

RICHARD E. SMALLEY

i Richard E. Smalley otrzymali metru masowego.

CZÑSTECZKA W¢GLA C

Êci´ty ikosaedr, innymi

60

NagrodŃobla z chemii za do-Smalley i Curl wykorzy-

(buckminsterfulleren) przy-s∏owy – pi∏ka futbolowa.

konane w 1985 roku odkrycie fullerenów.

stywali táparatur´ do ba-

pomina klatk´ w kszta∏cie Dalsze badania wyka-Ta trzecia forma w´gla charakteryzuje dania klasterów krzemu

pi∏ki futbolowej.

za∏y, ˝e w´giel mo˝e two-

si´ grupowaniem atomów w zamkni´-

i innych pierwiastków, któ-

rzyç rozmaite klatkowe

te, sferyczne klatki. (Grafit, o strukturze re mog∏yby okazaç siú˝yteczne w tech-czàsteczki, poczynajàc od 32-atomowych.

p∏askiej, oraz diament, o strukturze te-nologii pó∏przewodników. Gdy przyby∏

Ich powstawaniem rzàdzi tzw. prawo traedrycznej – to dwie pozosta∏e formy.*) Kroto, 1 wrzeÊnia 1985 roku promieƒ

Eulera: z 12 pićiokàtów i pewnej liczby Buckminsterfulleren, C – czàsteczka lasera skierowano na w´giel. SzczególszeÊciokàtów mo˝na budowaç bry∏y za-60

w kszta∏cie pi∏ki futbolowej – jest arche-nie ∏atwo powstawa∏y klastery 60-ato-wierajàce dowolnà parzystà, wi´kszà od typem ca∏ej rodziny struktur, których na-mowe i (w mniejszym stopniu) 70-ato-22 liczbńaro˝y.

zwa pochodzi od geodezyjnych kopu∏

mowe. By∏y to twory zdumiewajàco Niestety, zestaw doÊwiadczalny projektowanych przez amerykaƒskiego trwa∏e; C nie reagowa∏ z gazami taki-Smalleya pozwala∏ wy∏àcznie na otrzy-60

architekta i wynalazc´ Buckminstera Ful-mi jak wodór lub amoniak. Dlaczego manie znikomych iloÊci w´glowych pi-lera. Inni badacze 5 lat póêniej znaleêli fragmenty struktury grafitu lub diamen-

∏ek. Dopiero w 1990 roku Donald R.

sposób wytwarzania fullerenów w ma-tu mia∏yby nie mieç swobodnych (a wić Huffman i Lowell Lamb z University of kroskopowych iloÊciach, otwierajàc no-Arizona oraz Wolfgang Krätschmer wy rozdzia∏ chemii organicznej.

i Konstantinos Fostiropoulos z Max-Na trop „w´glowych pi∏ek” Curl, Planck-Institut für Kernphysik w Hei-Kroto i Smalley wraz z Jamesem R.

delbergu znaleêli prosty sposób pro-Heathem i Seanem C. O’Brienem, dok-dukcji ca∏ych gramów nowej substancji, torantami w Rice University, wpadli zu-wytwarzajàc ∏uk elektryczny pomi´dzy pe∏nie przypadkowo. WczeÊniej w Uni-dwoma grafitowymi pr´tami. Okaza∏o versity of Sussex Kroto u˝ywa∏ metod si´, ˝e kondensujàce pary w´gla zawie-spektroskopowych do badania bogatych rajà du˝o fullerenów.

w w´giel atmosfer zimnych gwiazd, Odkrycie to zapoczàtkowa∏o burzli-tzw. czerwonych olbrzymów. Jego po-wy rozwój badaƒ nad tà nowà formà szukiwania zaowocowa∏y znalezieniem Berkeley

pospolitego pierwiastka. Stwierdzono, d∏ugich ∏aƒcuchowych czàsteczek za-

˝e do wn´trza w´glowej czaszy mo˝na wierajàcych w´giel i azot.

wprowadzaç inne atomy (C ma Êred-60

Angielski naukowiec potrzebowa∏ po-nicóko∏o 1 nm). Dodatek cezu lub ru-mocy kolegów z Rice University w Te-bidu pozwala∏ uzyskiwaç substancje University of California w ksasie, aby wyjaÊniç mechanizm po-nadprzewodzàce w temperaturze 33 K.

wstawania tych moleku∏ w atmosferach Fullereny mogà te˝ przybieraç kszta∏t gwiazd. Smalley by∏ twórcà przyrzàdu d∏ugich pustych w Êrodku rurek (tzw.

do generacji „zlepków” atomowych.

nanorurek).

JOEL M. HAWKINS

Drobne fragmenty próbki sà odparowy-Ró˝ne pochodne fullerenów propono-

„PI¸KA-KRÓLICZEK”, a ÊciÊle mówiàc wane wiàzkà Êwiat∏a laserowego, a na-wano jako smary, katalizatory lub noÊni-C (OsO )(4- tert-butylopirydyna) , jest przy-st´pnie jako plazma ch∏odzone w stru-60

4

2

k∏adem chemicznej modyfikacji struktury ki leków. Odpowiednio d∏ugie, pozba-mieniu helu i wstrzykiwane do komory buckminsterfullerenu.

wione defektów nanorurki mo˝na by te˝

8 ÂWIAT NAUKI Marzec 1997

NAGRODY NOBLA 1996

wykorzystaç w roli dwuwymiarowych technologiczne wykorzystanie fullere-Szczególnie wa˝ny jest tzw. karbyn – forma alotro-powa z∏o˝ona z d∏ugich, liniowych ∏aƒcuchów, od-drutów, mocniejszych od stali. Praktycz-nów to tylko kwestia czasu. Ju˝ dzisiaj kryta na d∏ugo przed fullerenami (przyp. t∏um.).

ne zastosowania pozostajà jednak na ra-w oczywisty sposób zmieni∏y one teore-zie w sferze projektów i marzeƒ. Nawet tyczne podstawy chemii i wp∏yn´∏y na Ze Âwiata Nauki

produkcja wysokiej jakoÊci próbek do-rozwój nauki o nowych materia∏ach.

FULLERENY. Robert F. Curl i Richard E. Smalley, Âwiat Nauki, grudzieƒ 1991.

Êwiadczalnych ciàgle jest kosztowna i

* Diament, grafit i fullereny sà niewàtpliwie najle-OJCIEC FULLERENÓW (SYLWETKA: RICHARD E. SMAL-czasoch∏onna. Panuje jednak poglàd, ˝e piej znanymi, lecz nie jedynymi postaciami w´gla.

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

FIZYKA

helu 3, sprawia, ˝e sà one fer-Zamarzajàcy hel pobiera cie-NOWA NADCIEK¸A SUBSTANCJA mionami – podlegajà statysty-p∏o z otaczajàcej go cieczy, NEUTRON

DAVID M. LEE

ce Fermiego–Diraca, która nie powodujàc jej sch∏adza-Cornell University

zezwala, aby dwa fermiony

nie; w ten sposób mo˝na

PROTON

znajdowa∏y si´ w tym samym uzyskaç temperatur´

DOUGLAS D. OSHEROFF

stanie energetycznym.

ni˝szà od dwóch milikel-

Stanford University

Jednak w 1957 roku John Bar-PROTON

winów (0.002 K).

ROBERT C. RICHARDSON

deen, Leon Cooper i J. Robert Naukowcy z Cornell

Cornell University

Schrieffer opisali sposób, w ja-University dokonali

LAURIE GRACE

ki fermiony mogà tworzyç

JÑDRA HELU 3 sk∏adajà si´

swojego odkrycia, ba-

Nadciek∏oÊç jest zjawiskiem nie- czàstki zachowujàce si´ jak zdwóch protonów ineutronu. dajàc w∏asnoÊci mag-zwyk∏ym, specyficznym dla he-bozony. Badali oni nadprze-netyczne helu 3. Oshe-

lu. Najcz´Êciej wyst´pujàcy izo-wodnictwo, zjawisko bezoporowego roff, w owym czasie jeszcze doktorant, top tego pierwiastka hel 4, sch∏odzony przep∏ywu elektronów. Wykazali, ˝e zauwa˝y∏ w próbce helu 3 pewnà nie-do temperatury 4.2 K, ulega skropleniu.

dwa elektrony (które pojedynczo sà fer-regularnoÊç zale˝noÊci ciÊnienia od cza-Sch∏odzony jeszcze bardziej, do tempera-mionami) mogà pod wp∏ywem otacza-su, co by∏o zwiàzane z przejÊciem he-tury 2.17 K, nie zamarza tak jak wszyst-jàcych je atomów utworzyç parźacho-lu 3 do stanu nadciek∏oÊci.

kie inne substancje, staje sińatomiast wujàcà si´ jak bozon. Podobnie dwa Dalsze pomiary wykaza∏y, ˝e hel 3

nadciek∏y; pozbawiony lepkoÊci mo˝e atomy helu 3 mogà w wyniku bardziej w odró˝nieniu od helu 4 ma trzy fazy wyp∏ywaç przez najdrobniejsze pory, skomplikowanych procesów (w tym od-nadciek∏e. Ró˝nià sióne ustawieniem a obracany wytwarza mikroskopijne wi-dzia∏ywania magnetyczne) utworzyç pa-spinów atomów tworzàcych par´. W fa-ry podlegajàce regu∏om kwantowym.

r´ b´dàcà bozonem.

zie A, w którà hel 3 przechodzi w tem-Pierwszym naukowcem, który zaob-Gdy fizycy zdali sobie spraw´, ˝e hel 3

peraturze 2.7 mK, atomy tworzàce parśerwowa∏ zjawisko nadciek∏oÊci helu 4, mo˝e uzyskaç cechy bozonowe, rozpo-majà spiny równoleg∏e. W temperatu-by∏ (w 1938 roku) rosyjski fizyk Piotr czĺi badania tego izotopu w coraz ni˝-

rze 1.8 mK hel 3 przechodzi w faz´ B, Kapica. W 1996 roku za wykrycie nad-szych temperaturach, majàc nadziejńa w której atomy mogà mieç spiny usta-ciek∏oÊci bardzo rzadkiego izotopu he-wykrycie nadciek∏oÊci. Wykorzystujàc wione zarówno równolegle, jak i anty-lu o masie 3 (co niegdyÊ uwa˝ano za opracowanà w latach szeÊçdziesiàtych równolegle. Trzecia nadciek∏a faza A1

rzecz niemo˝liwà) NagrodŃobla nowà metodśch∏adzania (zapropono-powstaje, gdy fazÁ umieÊci si´ w ze-w dziedzinie fizyki otrzymali David M.

wanà przez I. J. Pomeraƒczuka – przyp.

wn´trznym polu magnetycznym; wów-Lee, Douglas D. Osheroff i Robert C.

t∏um.), Lee, Osheroff i Richardson zbu-czas spiny wszystkich par wskazujà ten Richardson.

dowali w Cornell University w∏asnà apa-sam kierunek.

Hel 4 mo˝e przechodziç w stan nad-ratur´. W metodzie tej zrobili u˝ytek z Kolejne badania wykaza∏y, jak bardzo ciek∏y, poniewa˝ jego atomy sk∏adajà niezwyk∏ej w∏aÊciwoÊci helu 3 polegajà-

nadciek∏y hel 3 ró˝ni siód nadciek∏e-siź parzystej liczby czàstek elementar-cej na tym, ˝e zestalenie helu 3 wymaga go helu 4. W obu tych cieczach w przy-nych (dwa protony, dwa neutrony i dwa dostarczenia ciep∏a, poniewa˝ jego faza padku ich obracania powstajà mikrosko-elektrony) i sà bozonami. Bozony to sta∏a jest mniej uporzàdkowana od fa-powe wiry, których wirowoÊç przyjmuje czàstki spe∏niajàce pewne regu∏y nazy-zy ciek∏ej (odwrotnie ni˝ u pozosta∏ych skwantowane wartoÊci, ale w helu 3 wy-wane statystykà Bosego–Einsteina, któ-

substancji). Gdy zwi´ksza sićiÊnienie, st´puje wi´ksza ró˝norodnoÊç wirów re zezwalajà, by wszystkie atomy helu mo˝na powodowaç zestalanie helu 3.

o bardziej z∏o˝onej strukturze.

w danej próbce znalaz∏y si´ w jednym wspólnym stanie o najmniejszej energii.

NADCIEK¸Ñ FAZ¢ A1 tworzà pary ato-ZEWN¢TRZNE

Tracà wtedy indywidualnoÊç i zacho-mów helu 3, których spiny (czerwone

POLE MAGNETYCZNE

wujà si´ jak jedna ca∏oÊç – mówimy, ˝e

strza∏ki) ustawione sà równolegle do ze-wszystkie atomy majà tśamà funkcj´

wn´trznego pola magnetycznego (nie-

falowà opisujàcà ich stan kwantowy.

bieska strza∏ka), dajàc wypadkowe niezerowe namagnesowanie. Ato-Makroskopowo osobliwa – identycz-my krà˝à wokó∏ siebie w p∏aszczyê-

noÊç ta objawia si´ jako nadciek∏oÊç.

nie równoleg∏ej do zewn´trznego ATOMY

Przez wiele lat po odkryciu nadciek∏o-HELU 3

pola magnetycznego.

Êci helu 4 fizycy uwa˝ali, ˝e zjawisko to nie mo˝e wystàpiç w przypadku helu 3.

Nieparzysta liczba czàstek elementar-nych (dwa protony, jeden neutron i dwa elektrony) sk∏adajàcych sińa atomy LAURIE GRACE

ÂWIAT NAUKI Marzec 1997 9