Von Hans Schuh

Mich haben die Verzweigungen und Verästelungen von Bäumen und Korallenriffen schon immer fasziniert", erzählt Donald A. Tomalia, Chemiker im Forschungszentrum der Dow Chemical in Midland, Michigan. "Und mein Traum war es seit langem, die Verzweigungsmuster chemisch nachzuahmen." Der bärtige 49jährige macht keinen Hehl aus seiner Freude darüber, daß sein neuer Weg zur Herstellung verzweigter, großer Moleküle zunehmend Furore macht, daß eine renommierte Fachzeitschrift eine Titelgeschichte über seine Arbeit vorbereitet. Tomalias ebenso grundlegendes wie faszinierendes Synthesekonzept beruht auf einem einfachen Baukastenprinzip und erlaubt dennoch die Herstellung einer unübersehbaren Fülle völlig neuer Substanzen. Für ihn sind seine verzweigten Moleküle "chemische Metaphern der Zellteilung des organischen Wachstums".

Doch nicht nur Idealismus beflügelt seine Forschung. Freimütig erzählt er, daß nach mehrjähriger Arbeit ihm bereits 1981 die Realisierung seines Traumes gelungen ist. Doch zunächst hat er dies für sich behalten. "Aus patentrechtlichen Gründen haben wir den Syntheseweg erstmals vor zwei Jahren publiziert", sagt er. Längst gehört es zur Taktik vieler Forscher, grundlegende Erfindungen nicht an die große Glocke zu hängen, um sich so die Konkurrenten noch ein Weilchen von den Fersen zu halten. Auch die Entdecker der neuen Supraleiter, die Nobelpreisträger Alexander Müller und Klaus Bednorz, "versteckten" ihre bahnbrechende erste Mitteilung zunächst einmal in einer seriösen, aber relativ wenig gelesenen deutschen Fachzeitschrift.

Zwar werden Tomalias "starburst dendrimers" (wörtlich: "Sternexplosions-Baumteilchen") nicht die Chemie revolutionieren wie die neuen Supraleiter die Physik. Aber in Fachkreisen gilt sein neues Synthesekonzept als ein bedeutender Fortschritt für die Grundlagenforschung – und viele Chemiker freut schlicht der symmetrische Aufbau der Moleküle.

Ein einfaches Beispiel zeigt die Zeichnung. Um einen zentralen Kern K mit drei Verzweigungen wird das Molekül schrittweise in Schalen aufgebaut. Dabei kommt es zu einer Vermehrung der freien Enden von drei auf sechs, dann zwölf etc. Da die Zahl der Endstücke schneller zunimmt als der Molekülumfang von Schale zu Schale wächst, behindern sich die endständigen Äste (Z) gegenseitig. Dies erzwingt ein Wachstum aus der Fläche hinaus, das Molekül nimmt eine kugelförmige Gestalt an. In der zehnten Schale geraten sich bereits 1536 freie Enden gegenseitig so stark ins Gehege, daß die Kugel so nicht mehr weiter wachsen kann: Beim Anbau der nächsten Schale treten starke Abweichungen vom regulären Verzweigungsmuster auf.

Nun läßt sich der zentrale Kern beispielsweise ersetzen durch zwei miteinander verbundene Kerne. Ein solcher Doppelkern hat dann je zwei freie Äste. Ihre Zahl wächst beim Aufbau jetzt in der Reihenfolge 4, 8, 16 etc. Am Ende entsteht dann keine Kugel, sondern, wie die Geometrie es für zwei Brennpunkte verlangt, ein Ellipsoid. Dient zum Start hingegen kein Doppelkern, sondern eine ganze Kernenkette, dann resultiert ein zylinderförmiges Gebilde. "Wir haben bereits lange Stäbe hergestellt", berichtet Tomalia. "Als nächstes will ich jetzt Halbkugeln herstellen."

Aber auch die einzelnen "Baumteilchen" lassen sich in Tomalias Baukasten nach ihrer Form, Größe und chemischen Beschaffenheit variieren. So können auch Dendrimere mit vier statt drei "Armen" verknüpft werden. Dieses neue Muster führt bei einer einfachen Kugel zu einer Zunahme der freien Enden in den einzelnen Schalen von 4 auf 12, 36, 108 etc. Bereits in der vierten Schale mit 324 Ästen stoßen diese aufeinander, das "explosive" Wachstum wird so viel rascher begrenzt als bei den dreiarmigen Dendrimeren.