"חבר'ה, מה שיש לכם, זה פשוט כדור-רגל". כך אמר המתמטיקאי ויליאם ויץ' לכימאים הרי קרוטו (מאוניברסיטת סוסקס, אנגליה) וריצ'ארד סמוליי (מאוניברסיטת רייס, טקסס, ארה"ב). הוא התכוון למבנה הפיסי הגיאודזי של מולקולה חדשה של פחמן טהור, המכילה 60 אטומי פחמן, שהציגו לפניו השניים.
למעשה, קיומה של מולקולת הענק הזאת נחזה כמה שנים לפני גילויה בפועל. דוד ג'ונס, שכתב טור על המצאות דמיוניות בשבועון ניו-סיינטיסט (תחת הפסוודונים "דדלוס"), כתב בעבר כי אטומי הפחמן יכולים להסתדר בשבכה של משושים ומחומשים, שצורתה צורת כדור חלול. המבנה הפיסי של המולקולה החדשה אכן מזכיר מאוד את המבנה שתיאר "דדלוס", והוא זהה למבנה שתכנן ובנה האדריכל בקמינסטר פולר בתערוכה הבינלאומית "אקספו 67", שהתקיימה במונטריאול, קנדה, ושכונה "כיפה גיאודזית".
איך בנוי יהלום
סיפור גילויו של "הכדור-רגל המולקולרי" החל כאשר הרי קרוטו חקר בשיטות ספקטרוסקופיות צברים של אטומי פחמן, כמו גרפיט או יהלום, ושרשרות אחרות של פחמן המצויות בחלל הבין-כוכבי.
סמוליי בנה לייזר מסוג חדש, שאיפשר חקירה של צברי אטומים קטנים. באמצעות הלייזר הזה, מאיידים את פני השטח של גביש מוצק המכיל אטומים של יסוד כלשהו. האדים שנוצרים נדחפים באמצעות סילון גז אינרטי לתוך חלל, שם האטומים מתאגדים לצברים. סמוליי עסק באותו זמן בחקר אטומי של צורן.
קרוטו הבין שבאמצעות המערכת שבנה סמוליי אפשר יהיה לשחזר את התנאים הקיימים על-פני כוכבי ענק הפולטים פחמן מאויד. השניים, שנפגשו באמצעות ידיד משותף, החליטו לעבוד יחד.
סילונים על-קוליים של הליום
הם איידו פחמן באמצעות קרן לייזר רבת עוצמה, והעבירו את האדים, באמצעות סילון על-קולי של הליום, לחדר שבו שררו תנאי ואקום. בחדר זה יוננו המולקולות (נטענו במטען חשמלי) באמצעות ספקטרומטר מסות, נבחן המשקל האטומי של פרודות גז פחמן בודדות.
אחד מחוקרי קבוצת המחקר של סמוליי, הארי הית', הבחין בתרשים של הספקטרומטר, בפסגות המעידות על מולקולות המכילות 60 אטומי פחמן, שהופיעו בשכיחות רבה, יחסית. בטכניקות שונות הצליחו החוקרים להעלות את השכיחות של המולקולות האלה עוד יותר.
הקצוות החופשיים של "פלאטלנד"
בשלב זה סבר סמוליי שנוצרו שם משטחים של פחמן דמויי גרפיט, שנצמדים זה לזה. קרוטו הציע דגם שטוח עם קצוות מעוקמים שכונה "פלאטלאנד". אבל לדגמים האלה היה חיסרון בולט: הם היו חייבים להיות בעלי קצוות חופשיים שיכלו להגיב כימית עם חומרים אחרים. אבל המולקולות שהכילו 60 אטומי פחמן היו יציבות מאוד, ולא הגיבו עם שום חומר. אפילו בנזן, שהיא פרודה מעגלית סגורה מגיבה עם כל מיני תרכובות בגלל אטומי המימן הנמצאים בקודקודיה. אבל הפחמן החדש לא הכיל אטומי מימן. משמעות התנהגותה ה"מתנשאת" של המולקולה החדשה היא, שהיא בנויה במבנה סגור, ללא קצוות חופשיים או פנויים.
כך הגיע הצוות לאפשרות של מבנה גיאודזי. קרוטו נזכר, שפעם בנה בביתו לילדיו מודל של כיפה עשויה קרטון. הוא זכר במעורפל כי היא הייתה בנויה ממשושים ומחומשים, אך לא היה בטוח בכך, והלך לחפש את כיפת הצעצוע בחדר הילדים. סמוליי השיג בינתיים את ספרו של רוברט מרקס "העולם הדינמי של בקמינסטר פולר", שבו הופיע, בין היתר, תצלום של הכיפה הגיאדזית שפולר בנה בזמנו בבטון רוז', בשביל חברת מכוניות בשם "איחוד יצרני המיכליות", אבל הוא לא הבחין בכך שהמבנה הזה היה בנוי ממשטחים מחומשים ומשושים.
לילה של יום מפרך
בסופו של אותו יום מפרך, הלך הארי הית' לביתו, ושם ניסה, יחד עם אשתו, לבנות מסוכריות טופי ומגפרורים דגם של המולקולה המבוקשת. הוא לא הצליח. באותו ערב ישב גם סמוליי בביתו, וניסה לבנות מודל ממשושי קרטון קטנים. כאשר ניסה להדביק אותם יחד כדי לקבל צורה כדורית, נוכח לדעת שאחרי כמה שורות שיצרו מעין "קערת סלט", הגיע המבנה למבוי סתום. בחצות, נזכר סמוליי ברמז של קרוטו על המחומשים. הוא גזר מחומשים מתאימים והתחיל לחבר אותם ל"קערת הסלט", ואז מצא כי המחומשים מתחברים יפה עם המשושים וכך התקבל חצי כדור בנוי מ-12 מחומשים ומ-20 משושים. מכאן ועד להשלמת כדור שלם, המכיל 60 קודקודים, היה המרחק קצר. בכל קודקוד במבנה היה מפגש של מחומש ומשושה - שסימל אטום פחמן אחד.
למחרת, לאחר שהציג את הדגם במעבדה, טילפן סמוליי לוויץ', כדי שיבחן את היתכנות המבנה מבחינה מתמטית. בתגובה, אמר ויץ' את מה שאמר על הכדור-רגל - אך בחינותיו הראו שהמבנה אכן אפשרי. בו במקום כונו המולקולות החדשות "כדורי בקי" על-שמו של האדריכל בקמינסטר פולר, שהמולקולות החדשות בנויות, כאילו, לפי דגם הכיפה הגיאודזית שתכנן.
בהמשך המחקר נמצא שאפשר ללכוד ב"כדורי הפחמן" החדשים, אטומי מתכת שונים, שגודלם הפיסי מתאים לכך (למשל, לנתנום).
שלהבת מפייחת
בינתיים מצא קלאוס הופמן מהמכון לפיסיקה בדרמשטדט, שכבר ב-1978 היה ידוע כי בשלהבת מפייחת מופיעות המולקולות המכילות 60 אטומי פחמן, אלא שבהגיען לחלק הכחול (המחמצן) של הלהבה, הן נשרפות. באחרונה אישרו קרוטו, וחברו טיילור (שם פרטי?) את המבנה של "כדורי בקי", באמצעות בחינה בתהודה מגנטית גרעינית.
בינתיים, מצאו כמה חוקרים אמריקניים וגרמניים דרך לייצר את "כדורי בקי" בכמויות של מיליגרמים ליום, ואילו סמוליי ותלמידיו יודעים כבר לייצר כמה עשרות גרמים ליום במחיר שאינו עולה על זה של ייצור אלומיניום.
מה יוצא לנו מזה?
האפשרויות של שימושים מעשיים במולקולות הפחמן החדשות, רבות מאוד. בשל יציבותו הרבה, יכול החומר לשמש חומר סיכה מושלם, או אפילו להוות מעין מיסבים מולקולריים. הוא יכול לעמוד בבסיסן של תרכובות אורגניות מסוגים חדשים עם אפשרויות של שימוש ברפואה, תאים אלקטרוכימיים יעילים, בסיס לפיתוח סוללות חדשות, ואפילו מחקר באשר לדרכים שבהן נוצרים חומרים שונים בכוכבים ובחלל הבין-כוכבי.
אחרית דבר
סמוליי וקרוטו זכו על תגליתם בפרס נובל בכימיה לשנת 1996. סמוליי הלך לעולמו בשנת 2005. קרוטו מסייע בגיוס תקציבים למחקר מדעי, בין היתר בדרך של "הגרלת ארוחות ערב עם חתן פרס נובל, הרי קרוטו".
