Dem Kohlenstoff, dem Element des Lebens, galt mein erster literarischer Traum (…): ich wollte die Geschichte eines Kohlenstoffatoms erzählen.
Primo Levi (Chemiker und Schriftsteller): Das periodische System (1975)

Sechs Protonen, sechs Neutronen, sechs Elektronen. Das ist der Stoff, aus dem das Leben ist: Kohlenstoff, kurz C. Sein Geheimnis liegt in seiner Struktur, all seine elementaren Bestandteilchen sind so fein und praktisch arrangiert, dass C außerordentlich kontaktfreudig ist und gern Bindungen eingeht. Die wiederum sind zugleich stark und flexibel. C ist der Casanova des Periodensystems: Kohlenstoff steckt in mehr chemischen Verbindungen als jedes andere Element, an die zehn Millionen verschiedene sind es.

Auch wir Menschen bestehen, sieht man einmal vom Wasser ab, hauptsächlich aus Kohlenstoff, nämlich zu zwei Dritteln. "Wasser mag das Lösemittel des Universums sein", schreibt die Pulitzer-Preisträgerin Natalie Angier in ihrem Buch Naturwissenschaft. "Aber Kohlenstoff ist das Klebeband des Lebens."

C ist Bau- und Brennstoff zugleich, er sorgt für das Lebensnotwendige – Wärme, Nahrung, Kleidung, ein Dach über dem Kopf. Doch C hat auch eine dunkle Seite, geht am Ende den Weg alles Irdischen: Er wird, oxidiert, mit kräftigen Doppelbindungen an zwei Sauerstoffatome gefesselt, zum Molekül Kohlendioxid. Das ist das Ende seines geselligen Lebens: Im CO₂ steht Kohlenstoff unter Arrest. Keine Energie hat er mehr übrig für aufregende neue Verbindungen und verrückte Formexperimente. Ausgerechnet in dieser Gestalt, der er so schwer entkommen kann, heizt er seit je die Atmosphäre auf. Jetzt aber wird das brenzlig, weil wir Menschen immer mehr kohlenstoffhaltige Brennstoffe verfeuern und den Klimawandel damit anfeuern. Für uns ist CO₂ ein Problem, weil es für die C-Atome ein Verlies ist.

(…) für ihn, der doch potentiell lebendig ist, eine Gefangenschaft, würdig der katholischen Hölle.

Wie kann man den Gefangenen wieder für andere Bindungen gewinnen, ihn damit unschädlich, womöglich gar nützlich machen? Das ist ein großes Rätsel für Chemiker und Ingenieure, seit Jahrzehnten. Nun nehmen sie endlich die Herausforderung an.

Um diese zu verstehen, muss man den Elementarcasanova kennenlernen. Man muss seine unvergleichliche Kontaktfreude verstehen. Ein C reiht sich leicht ans andere, es entstehen lange Ketten: Energieträger, Bausteine für die chemische Industrie, Kunststoffe für unseren Alltag. So vielseitig wird er durch die Fähigkeit, ganz unterschiedliche Bindungen einzugehen: Er bildet eines der weichsten Materialien, die wir kennen (Grafit) und das härteste (Diamant). Im Grafit werden hauchdünne Kohlenstoffblättchen nur von feinsten Kräften zusammengehalten. Ein Bleistiftstrich genügt, um eine Schicht zu lösen. Im Diamanten sind die C-Atome fest in ein Gitterkorsett eingeschnürt, geordnet und haltbar für die Ewigkeit.

Beide, Grafit und Diamant, finden sich dort, wo der allergrößte Teil des Kohlenstoffs der Erde steckt: in ihrer Gesteinshülle. Dort lagern Erdöl, Erdgas und Kohle, und auch manches Gestein enthält Kohlenstoff: Marmor, Kreide, Kalkstein. Letzterer formt ganze Gebirge, etwa die Dolomiten mit ihren Riffen, die einmal am Meeresgrund lagen.

C-Atome nehmen viele Formen an – Gitter, Ringe, Spiralen. Erst Mitte der achtziger Jahre stellten Forscher daraus gar kugelige, fußballförmige Moleküle her: Fullerene. Dafür bekamen sie den Nobelpreis. Ebenso wie jene Wissenschaftler, die vor zehn Jahren flache, bienenwabenartige Gitter aus einer einzigen Schicht C-Atome erzeugten: Graphen. Die Kohlenstoff-Kugeln, ziemlich genau einen Nanometer groß, wurden zur Ikone einer neuen Technik, der Nanotechnologie. Graphen gilt, weil extrem dünn und extrem leitfähig, als neuer Wunderwerkstoff.

Jedes Kohlenstoffatom, das nicht in stabile Stoffe eingeschlossen ist (…), tritt alle zweihundert Jahre durch die enge Pforte der Photosynthese wieder in den Kreislauf des Lebens ein.