Von Dieter Westhoff

Ballförmige Moleküle aus sechzig und mehr Kohlenstoffatomen faszinieren seit zwei Jahren die Chemiker. Das Bundesforschungsministerium (BMFT) läßt seit kurzem diese "Bucky-balls" oder Fullerene, wie sie korrekt heißen, in einem Projekt untersuchen, an dem zehn Universitäts- und Forschungsinstitute teilnehmen. Drei Millionen Mark will das BMFT in den nächsten zwei Jahren dafür ausgeben. "Zielsetzung ist es, die Fullerene daraufhin abzuklopfen, ob sie sich für technische Anwendungen eignen", sagt Professor Hermann Rietschel vom Kernforschungszentrum Karlsruhe, der das "Pilotprojekt Fullerene" leitet.

Ins Licht der wissenschaftlichen Welt traten die Fullerene 1985, als der amerikanische Chemiker Richard Smalley und der britische Spektroskopiker Harold Kroto mit einem Laserstrahl in einer Apparatur Graphit verdampften. Im Dampf fanden sie dann ein Molekül, das aus sechzig Kohlenstoffatomen besteht. Das war verwunderlich; denn Kohlenstoff, so stand es in den Chemielehrbüchern, existiert in zwei altbekannten, unterschiedlichen Formen: zum einen als Graphit und zum anderen als Diamant. Die eine Form ist schwarz, metallisch glänzend und weich, die andere durchsichtig, von strahlendem Glanz und das härteste bekannte Material. Äußerlich überwiegen die Unterschiede, doch im Inneren zeigen sich die Ähnlichkeiten. Graphit besteht aus ausgedehnten Schichten, in denen Millionen von Kohlenstoffatomen zweidimensional miteinander verknüpft sind. Diamant ist ein dreidimensionales Netzwerk aus Kohlenstoffatomen. Beide Formen stellen also Riesenmoleküle dar.

"Buckminsterfulleren", so tauften Kroto und Smalley den Fund, ist nun eine neue Spielart des Elementes Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Graphit und Diamant ist das Molekül klein und hochsymmetrisch. Seinen Namen bekam es, weil sein Konstruktionsprinzip an die geodätischen Kuppeln des amerikanischen Architekten Buckminster Fuller erinnert. Noch näher liegt der Vergleich mit einem ganz gewöhnlichen Fußball: C hoch 60, so die chemische Formel, trägt auf seiner Oberfläche zwanzig Sechsecke und zwölf Fünfecke.

"Vor 1985 dachte die Wissenschaft, das Element Kohlenstoff ist verstanden. Aber dann zeigte sich, man hatte überhaupt nichts verstanden. Vorher war die Graphitwelt flach, und plötzlich war sie rund wie ein Fußball", blickt der Physiker Wolfgang Krätschmer zurück. Der Mitarbeiter des Heidelberger Max-Planck-Institutes für Kernphysik hielt als erster Mensch im Mai 1990 Kristalle vom Buckminsterfulleren in den Händen. Smalley und Kroto konnten mit ihrem Laser lediglich ein paar tausend Moleküle herstellen. Erst Krätschmer und der amerikanische Physiker Donald Huffman produzierten zusammen Milligramm-Mengen von dem Stoff, indem sie statt eines Lasers einen elektrischen Lichtbogen benutzten. Damit begann der Run auf die Fullerene.

Ursprünglich hatten die Wissenschaftler nicht nach neuen chemischen Substanzen für technische Anwendungen gesucht. Krätschmer und Huffman waren Grundlagenforscher und am interstellaren Staub interessiert. Die Zusammensetzung des Staubes im Weltraum, der das Sternenlicht abschwächt, ist noch nicht genau geklärt. Daß Kohlenstoff darin eine Rolle spielt, vermuten Astrophysiker schon seit längerem. Kohlenstoff ist das vierthäufigste Element im Kosmos. Krätschmer und Huffman wollten die vermuteten interstellaren Kohlenstoffmoleküle im Labor erzeugen und dann deren Eigenschaften mit den Lichtabsorptionen aus dem Kosmos vergleichen. "Naiv", nennt Krätschmer heute seine damalige Hypothese, Fulleren könnte im Kosmos herumfliegen. Seine Experimente sprechen inzwischen dagegen.

Doch im nachhinein entpuppte sich dieser scheinbare Mißerfolg als Durchbruch. Krätschmer konnte erstmals größere Mengen von Buckminsterfulleren herstellen und damit weitere Versuche unternehmen. Er bestätigte die Hypothese von Smalley und Kroto über die Fußballform des Moleküls. Bei einer einzigen neuen Substanz blieb es freilich nicht, im Ruß der Lichtbogenanlage fand sich eine ganze Familie. In Begleitung von C hoch 60 zeigt sich ein größeres Molekül aus Kohlenstoff, das siebzig Atome enthält. Das C hoch 70 ist weniger symmetrisch aufgebaut, es erinnert an einen Rugby-Ball. Zu diesen beiden Brüdern kommt noch eine Geschwisterschar, die teilweise aus mehreren hundert Kohlenstoffatomen bestehen. Auch Moleküle mit weniger als sechzig Atomen wurden gefunden. Die neueste Entdeckung im Familienalbum meldete kürzlich der Schweizer Forscher Daniel Ugarte: Eine "Zwiebel" aus Kohlenstoff, die mehrere Schichten der kugeligen Brüder in sich trägt. Der Kern der Zwiebel ist ein C hoch 60-Molekül. Die Familie der Fullerene ist damit noch nicht vollständig, Kohlenstoff bildet auch lange Röhren, die "Buckytubes".