Wissen: Fußball aus Kohlenstoff

Ein geheimnisvolles Signal aus dem Weltraum, das schiefgegangene Experiment eines Physikstudenten und eine Doktorarbeit mit reichlich blauem Dunst sind einige der Zutaten, die vor 20 Jahren am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik eine kleine Revolution in der Chemie auslösten.

Irgendwann zwischen Ende April und Anfang Mai 1990 hatte Konstantinos Fostiropoulos erstmals größere Mengen einer Kohlenstoffverbindung hergestellt, deren Moleküle verblüffend winzigen Fußbällen ähneln. Diese „Fullerene“ genannten Strukturen haben ungewöhnliche Eigenschaften, die man etwa in der Chemieindustrie oder bei der Herstellung von Solarzellen nutzen kann.

Alles begann mit der Beobachtung von Astrophysikern, die sich über ein seltsames Signal aus dem Weltraum wunderten: In den Tiefen des Alls schien der dort vorhandene Staub zwischen den Sternen ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge um 220 Nanometer zu verschlucken. Ähnliche Eigenschaften zeigte bei Laborversuchen auch Kohlenstaub. Der Staub im Kosmos sollte aller Wahrscheinlichkeit nach aus genau dieser Art Kohlenstoff bestehen. Das Problem war, dass Chemiker damals nur zwei Verbindungen aus Kohlenstoff kannten, Grafit und Diamant. Beide absorbierten UV-Licht anders, als der Sternenstaub es offensichtlich tat.

Anscheinend fabrizierten die extrem niedrigen Temperaturen, das Fehlen jeglichen Luftdrucks und die hohe Strahlung im Weltraum aus Kohlenstoff eine Form, die es auf der Erde nicht gab. Theoretiker hatten ausgerechnet, dass es sich um Staubpartikel handeln könnte, die mit ungefähr zehn Nanometern (Millionstelmillimetern) rund 7000 Mal dünner als ein menschliches Haar sein müssten. Harry Kroto von der Universität Sussex in Brighton und seine amerikanischen Kollegen Robert Curl und Richard Smalley von der Rice-Universität in Houston versuchten Mitte der 80er Jahre, die Weltraumbedingungen nachzuahmen und die geheimnisvolle Verbindung herzustellen.

Mithilfe eines Laserstrahls verdampften sie Grafit zu einer Wolke aus Kohlenstoffatomen. Als sie diesen Dampf mit einem Puls aus Heliumgas schlagartig abkühlten, entstand Ruß, der unter anderem Substanzen enthielt, die zu der geheimnisvollen Struktur im Weltraum passten. Analysen zeigten, dass alle Verbindungen allein aus Kohlenstoff bestanden. Strukturen mit 60 Atomen waren mit Abstand am häufigsten, aber auch Strukturen mit 70 Atomen hatten die Forscher erzeugt.

Aus Papier bastelte Kroto ein mögliches Modell des Moleküls mit 60 Kohlenstoffatomen. Am Ende hatte er ein Gebilde in seinen Händen, das aus 12 Fünfecken bestand, die mit 20 Sechsecken eine Art Kugel bildeten. Als er Mathematiker bat, dieses Gebilde näher anzuschauen, verrieten sie ihm den Trivialnamen dieser Struktur: „Wir wissen ja nicht, wie Sie zu diesem Ding sagen, aber wir nennen es einen Fußball!“

Die Forscher hatten damit eine völlig neue Form des Kohlenstoffs entdeckt. Jahre später, 1996, wurden sie dafür mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet. Zunächst hatte die Entdeckung der Wissenschaftler eher akademischen Wert, denn mit der Lasermethode ließen sich nur sehr wenige Moleküle der nach einem Architekten benannten „Buckminster-Fullerene“ herstellen. Es sollte noch einige Zeit vergehen, bis es gelang, auch größere Mengen von Fullerenen zu erzeugen. Das gelang schließlich in Heidelberg.

In jener Zeit, Ende der 80er Jahre, erforschten dort Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kernphysik kosmischen Staub. Sie benutzten jedoch ein anderes Verfahren und erzeugten Kohlestaub mithilfe eines Lichtbogens.

Niedriger Druck und niedrige Temperaturen simulierten die kosmischen Bedingungen, als dem Praktikanten Bernd Wagner im Herbst 1988 ein Missgeschick passierte und er versehentlich viel zu viel Helium in den Lichtbogen leitete. Obwohl der so entstandene hohe Druck von Weltraumbedingungen weit entfernt war, zog der Jungforscher das Experiment durch. Am Ende erhielt er kleine Mengen einer Substanz, die offenbar aus den seltsamen Kohlenstoff-Fußbällen bestand.

Das Praktikum von Wagner war längst beendet, als Konstantinos Fostiropoulos 1990 in seiner Doktorarbeit dieses schiefgelaufene Experiment wieder aufgriff. Viele Monate lang variierte er die Bedingungen, bis er immer größere Mengen der Substanz erzeugte. In seiner Experimentanordnung drückte dabei die Feder eines Kugelschreibers auf einen Stift aus Kohlenstoff, der im Lichtbogen verdampfte. Der aufsteigende blaue Dunst enthielt die Fullerene, die vier eng begrenzte Wellenlängenbereiche im infraroten Licht absorbierten.

Danach experimentierte der Forscher mit großen Grafitstäben, die 20 Zentimeter lang waren und entsprechend größere Fullerenmengen hergaben. Aber noch immer entstand ein Ruß, der im besten Fall zwölf Prozent Fullerene enthielt. Dann erhielt Fostiropoulos einen Tipp von einem Chemiker: Fullerene mit 60 Kohlenstoffatomen sollten bei ungefähr 500 Grad Celsius verdampfen. Der Doktorand stellte daraufhin seine Apparatur entsprechend ein – und der Dampf schlug sich in nennenswerten Mengen auf einem in der Nähe befindlichen Quarzkristall wieder nieder. Jetzt hatte Fostiropoulos tatsächlich reines Fulleren hergestellt. An einem Tag erhielt er damals bis zu einem Gramm der Substanz.

Seit dieser Entdeckung vor 20 Jahren arbeiten Wissenschaftler an möglichen Anwendungen der runden Moleküle. Sie kommen beispielsweise als Katalysator infrage oder als Schmiermittel. Auch die Herstellung künstlicher Diamanten aus den runden Kohlenstoffmolekülen wird erforscht.

Eine andere Anwendung verfolgt Konstantinos Fostiropoulos, der mittlerweile am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin forscht. Dort entwickelt der Wissenschaftler mithilfe der Fullerene Systeme, aus denen sogenannte organische Solarzellen gefertigt werden können. In diesen sehr dünnen, biegsamen Modulen stecken zum Beispiel Phthalocyanine genannte Farbstoffe, die dem Chlorophyll ähneln, mit dem Pflanzen Sonnenlicht auffangen. In diesen Substanzen überträgt Licht etwas Energie auf bestimmte Elektronen, die sich dadurch ein klein wenig vom Molekül entfernen. Im Prinzip entsteht so durch das weggerückte Elektron eine negative Ladung und im gleichen Molekül eine positive Ladung an der Stelle, an der das Elektron jetzt fehlt. Um elektrischen Strom fließen zu lassen, muss das Elektron zum nächsten Molekül wandern.

Fullerene sind wahre Elektronen-Sauger. Sie schaffen es problemlos, die Teilchen aus den Molekülen herauszuholen und so die negative Ladung endgültig von der positiven zu trennen. Das nächste Fulleren saugt diese Elektronen weiter, bald wandern die Elektronen von Fulleren zu Fulleren.

Unabhängig davon wandern auch die positiven Löcher im Phthalocyanin. Nun müssen nur noch zwei Elektroden an dieses System angelegt werden, von denen eine die Elektronen und die andere die positiv geladenen Löcher „aufnimmt“. Wenn die Entwicklung weiter positiv verläuft, könnten die seltsamen Kohlenstoffmoleküle bald zu preiswerten Solarmodulen verhelfen, hofft Fostiropoulos.