Buckyballen zijn niet vloeibaar te krijgen

Buckyballen, de voetbalvormige koolstofmoleculen die uit precies 60 atomen bestaan, kunnen geen vloeistof vormen. Dit is ontdekt door onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en het Van 't Hoff Laboratorium van de Rijksuniversiteit Utrecht.

Buckyballen, die door hun vorm een zeer grote stabiliteit hebben, werden enkele jaren geleden ontdekt als een derde vorm van koolstof (naast grafiet en diamant). Ze hebben heel interessante eigenschappen en staan dan ook sterk in de belangstelling van chemici en fysici.

Verreweg de meeste stoffen kunnen voorkomen in drie fasen, ook wel aggregatietoestanden geheten: vast, vloeibaar en gas. In eerste instantie bepaalt de temperatuur in welke toestand een stof zich bevindt: bij afkoeling van stoom ontstaat eerst water en vervolgens ijs. Ook de druk speelt echter een rol. Onder hoge druk blijft water tot hogere temperatuur vloeibaar; hierop berust de werking van de hogedrukpan. Bij toenemende temperatuur en druk wordt het onderscheid tussen vloeistof en gas echter steeds geringer en boven bepaalde waarden, bij het kritieke punt, verdwijnt het zelfs. Vaste stof gaat dan direct over in damp en omgekeerd.

De Amsterdamse en Utrechts onderzoekers zijn nu nagegaan hoe de CI,6 I,0 -moleculen zich in dit opzicht gedragen. Daartoe berekenden zij het subtiele spel van krachten tussen verschillende buckyballen bij verschillende temperaturen en drukken. Uit hun computerberekeningen blijkt dat deze moleculaire stof niet in vloeibare toestand kan voorkomen. De kritieke temperatuur ligt bij 1800 K, ongeveer 35 graden onder de temperatuur waarbij damp en vloeistof naast elkaar kunnen bestaan. Een stof van CI,6 I,0 -moleculen gaat dus direct van gas over in vaste stof en omgekeerd. Voor zover bekend is dit het eerste voorbeeld van een zuivere stof die niet in vloeibare vorm kan voorkomen (Nature 365, p. 425).

De onderzoekers leiden voorts af dat zich tijdens afkoeling van CI,6 I,0 -damp geen kristallen vormen, maar een stof met een amorfe, roet-achtige structuur. Zij leiden dit af uit een analogie tussen het gedrag van CI,6 I,0 en van colloidale oplossingen. Bij sommige colloiden kan men de ligging van het kritieke punt zodanig beinvloeden dat de vloeistoffase geheel verdwijnt. Het is dan heel moeilijk om die colloiden te laten kristalliseren: zij vormen liever amorfe vlokken. Inderdaad is het ontstaan van amorf roet precies wat er tijdens de experimentele vervaardiging van CI,6 I,0 uit de gasfase wordt waargenomen.