【テクノロジー解説】炭素のサッカーボール「フラーレン」:60個の炭素原子が、六角形20枚と五角形12枚のボールに。星の大気の分子を調べる実験で、11日間で見つかった。ナノチューブにもつながる(1996年ノーベル化学賞)
炭素は、黒鉛やダイヤモンドのように、原子の並び方で姿を変えます。1985年、カール博士、クロトー博士、スモーリー博士は、炭素原子がボールのように閉じた殻をつくる、新しい炭素の形「フラーレン」を発見しました。いちばん多かったのは60個の炭素原子のC60で、六角形20枚と五角形12枚からなる、サッカーボールと同じ形でした。名前は、この形のドームを設計した建築家バックミンスター・フラーにちなみます。星の大気の分子を調べるための実験から、11日間で見つかった発見で、超伝導の物質や新しい材料、細い筒状のナノチューブの研究にもつながりました。
プレ男炭素でできたサッカーボールがあるって本当?
メル美原子60個でできた、目に見えないくらい小さなボールなんだって。
こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回はフラーレンです。1996年のノーベル化学賞の発表をもとにまとめました。
新しい炭素の形
- 炭素は、原子の並び方で姿を変えます。それまで知られていた炭素の結晶の形は、2種類の黒鉛、2種類のダイヤモンドなど、6種類でした
- 1985年、ロバート・カール博士、ハロルド・クロトー博士、リチャード・スモーリー博士は、炭素原子が閉じた殻(ボール)のように並ぶ、新しい炭素の形を発見しました。これが「フラーレン」です
- 殻の炭素原子の数はいろいろで、たくさんの新しい炭素の形が知られるようになりました
星の大気の研究から生まれた
- クロトー博士は、炭素の多い巨大な星の大気にある、炭素と窒素の長い鎖の分子に興味をもっていました。その分子が、星の大気の熱い部分でできたのではないかと考え、実験で確かめたいと思っていました
- スモーリー博士は、レーザーでほとんどどんな物質でも蒸発させて、原子のかたまり(クラスター)をつくって調べる、特別な装置をつくっていました。カール博士はその共同研究者でした
- 1985年9月1日、クロトー博士がスモーリー博士の研究室にやってきて、炭素を蒸発させる実験がはじまりました。大学院生もふくめたチームの実験は11日間でした
プレ男星の分子を調べるつもりが、サッカーボールが見つかったのか!
60個の炭素のサッカーボール
- 炭素の表面に強いレーザーをあてて蒸発させ、ヘリウムの気流にまぜると、炭素原子が集まって、数個から数百個のかたまりができます。それを質量分析で調べました
- 実験を細かく調整すると、60個と70個の炭素のかたまりがとくに多くでき、いちばん多かったのは60個(C60)でした
- C60がとても安定だったことから、対称性の高い形が考えられました。六角形20枚と五角形12枚の面からなる「切頭二十面体」。サッカーボールの模様とまったく同じ形です
- この形は、アメリカの建築家バックミンスター・フラーが1967年のモントリオール万博のために設計したドームと同じで、「バックミンスターフラーレン」と名づけられました
「本当にその形?」から確かな証拠へ
- 発表は、批判と熱狂の両方で受けとめられました。炭素がこんな対称的な形になるとは、だれも予想していなかったからです
- 3人は、ボールの中に金属の原子をとじこめたかたまりもつくるなど、証拠を集めました
- 1990年、ほかの物理学者が、2本の黒鉛の棒のあいだで放電させる方法で、C60を目に見える量つくることに成功し、構造が正しいことが確かめられました
何に役立つ?
- フラーレンを使って、超伝導の塩、新しい立体的なプラスチック、新しい触媒や材料、センサーなどの研究が進みました
- フラーレンと同じように並んだ、両端の閉じた細い筒「ナノチューブ」もつくられました(1996年当時)
フラーレンは、炭素原子がボールのような殻をつくる新しい炭素の形です。60個の炭素からなるC60は、六角形20枚と五角形12枚のサッカーボールと同じ形をしています。
つながるテクノロジー
- 炭素原子1層のシート:グラフェン
- 分子の重さをはかる:質量分析
- 電気抵抗ゼロ:電気抵抗ゼロの「超伝導」
プレ男サッカーボールと建築のドームと分子が同じ形なんて、おもしろい。
メル美ちがう分野の研究者が出会ったから見つかったんだね。
まとめ
- 1985年、炭素がボールのような殻をつくるフラーレンを発見
- いちばん多いC60は、六角形20枚・五角形12枚のサッカーボールの形
- 星の大気の分子を調べる実験から、11日間で見つかった
- 1990年に目に見える量がつくられ、構造が確かめられた
- 超伝導、新しい材料、ナノチューブへ(1996年ノーベル化学賞)
参考文献
- The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Chemistry 1996. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1996/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)
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