Buckybuizen; Piepkleine koolstofcilindertjes

Naast buckyballs, de recent ontdekte "voetbalmoleculen', zijn er dan nu "buckybuisjes': piepkleine koolstofcilindertjes waarvan eventueel zeer sterke vezels gemaakt zouden kunnen worden.

De ontdekking van de buckytubes, nu alweer twee jaar geleden, was voor het wetenschapsblad Nature aanleiding om de buisjes onlangs op de voorplaat te zetten. En alsof het zo was afgesproken, kwam de ontdekker van de buisjes, Sumio Iijima van het Japanse bedrijf NEC, enkele weken later op het jaarlijkse congres van de American Association for the Advancement of Science uitleggen wat er toch wel zo bijzonder is aan deze mini-cilinders.

Jarenlang waren er slechts twee vormen van koolstof bekend, diamant en grafiet. In diamant is elk koolstofatoom verbonden met vier andere. Ze vormen een driedimensionaal, symmetrisch netwerk, waaraan het materiaal zijn hardheid ontleent. Bij grafiet zijn de koolstofatomen in de vorm van honingraten in vlakken aan elkaar gekoppeld. Omdat deze vlakken op elkaar gestapeld zijn en makkelijk over elkaar heen glijden is grafiet uitstekend als smeermiddel te gebruiken.

In de recente ontdekte vorm van koolstof - de klasse fullerenen - zijn de atomen geordend in vijf- en zeshoeken. Omdat deze veelvlakken in willekeurige vorm aan elkaar kunnen worden gekoppeld, ontstaan aaneengesloten structuren. De meeste aandacht trok tot dusverre het C60-molecuul of de buckyball, genoemd naar de architect Buckminster Fuller. Dit molecuul bestaat uit zestig koolstofatomen die zijn gerangschikt op de hoeken van twintig zesvlakken en twaalf vijfhoeken. De vijfvlakken maken dat rijen zesvlakken onder een hoek ten opzichte van elkaar komen te staan. Omdat in koolstof-60 geen twee vijfvlakken naast elkaar zitten, ontstaat de vorm van een voetbal. Die vergelijking is absoluut niet vergezocht, want een voetbal telt dezelfde hoeveelheid vijf- en zesvlakken, maar is 200 miljoen maal groter. Koolstof-60 is de meest symmetrische van de fullerenen.

Sinds hun ontdekking door prof. Richard Smalley van de Rice Universiteit in Houston zijn de buckyballs niet meer uit de publiciteit geweest. In de afgelopen jaren zijn veel curieuze en fascinerende eigenschappen ontdekt. Wanneer fullerenen worden vermengd met atomen als kalium, rubidium of thallium worden ze supergeleidend. Andere derivaten doen het prima als halfgeleiders en isolatoren. Concrete toepassingen zijn er nog niet, maar er wordt al wel gedacht aan de fabricage van diamantlagen en aan gebruik van buckyballs als smeermiddel.

Een andere mogelijkheid is om atomen in de koolstofkooien van buckyballs op te bergen, die van chloor of natrium bijvoorbeeld, zodat de fullerenen als batterijen zijn te gebruiken. Deze elementen kunnen bij de produktie worden bijgemengd, maar er ook letterlijk worden ingeschoten, ondanks de beschadiging die dit geeft.

Tijdens onderzoek naar roetafzettingen op een elektrode die voor de produktie van fullerenen ontdekte de Japanner Sumio Iijima twee jaar geleden onder de microscoop kleine koolstofbuisjes die een bijzondere eigenschap hebben: ze gaan "open' als ze samen met lood worden verhit en zuigen dan het gesmolten materiaal naar binnen. Iijima claimde meteen dat een vierde vorm van koolstof te hebben gevonden, "veel interessanter dan buckminsterfullerenen', maar onderzoekers als Smalley zijn ervan overtuigd dat het gewoon om uitgerekte mega-buckyballen gaat.

De buisjes zijn opgebouwd uit een matje van zesvlakken die kan worden opgerold. Vijfhoeken maken dat het buisje zich aan beide klanten sluit. Niemand heeft nog een verklaring voor het gedrag van de buisjes. Iijima zelf verwijst naar de Zwitserse wiskundige Leonhard Euler, die aantoonde dat een hexagonaal vlak in een veelvlak kan worden veranderd wanneer twaalf pentagonsof vijfhoeken worden toegevoegd. Iijima vermoedt dat de buisjes eventuele breuken op deze wijze zelf herstellen.

Het vollopen van de buisjes is vermoedelijk het gevolg van een chemische reactie tussen het metaal en zuurstof. In vacuüm lukt het in elk geval niet. De reactie verloopt alleen als men de buisjes dertig minuten lang worden verhit tot even boven het smeltpunt van lood (400 graden Celsius) en zelfs dan raakt slechts een zeer klein gedeelte gevuld (1 procent). Bovendien is het niet duidelijk of het alleen lood is dat naar binnen wordt gezogen of een substantie die uit de reactie voortkomt.

Toch zijn deze resultaten volgens Sumio Ijima van NEChoopgevend: in de meeste fullerenen is maar heel weinig ruimte om atomen in op te bergen. Maar in de buisjes passen atomen als erwten in een schil. Jae-Yel Yi en Jerzy Bernholc van de North Caroline State University in Raleigh gebruiken supercomputers om na te gaan of borium en waterstofatomen in de cilinders kunnen worden opgeborgen.

Hoewel men dus nog maar weinig weet over de fysische eigenschappen van de buisjes, wordt al voorzichtig aan toepassingen gedacht. Iijima hoopt nog steeds dat de cilinders kunnen worden gebruikt als "quantumbuizen' voor de geleiding van elektronen. Het grote voordeel is dat de draadjes microscopische afmetingen hebben: ze hebben een doorsnede van 1,3 nanometer, een miljardste van een meter, en een lengte van 20 tot 30 nanometer.

Dat is minder dan een honderdste van de omvang van de koperen verbindingen die momenteel voor siliciumchips worden gebruikt. Ook zouden er supersterke vezeltjes van gemaakt kunnen worden. Men zou er ook bepaalde stoffen in kunnen stoppen voor transport in chemisch vijandelijke omgevingen. Sommigen dromen al van sterke materialen voor vliegtuigen. Als het inderdaad zo is dat de buisjes "zelfgenezend' zijn dan zouden ze als matrixmateriaal in koolstopfcomposieten kunnen worden verwerkt. Het grafiet dat men daar nu nog voor gebruikt is erg gevoelig voor scheurtjes.