Chemienobelpreis 1996: Robert Floyd Curl — Harold Walter Kroto — Richard Smalley
Die Amerikaner Curl und Smalley erhielten den Nobelpreis gemeinsam mit dem Briten Kroto »für die Entdeckung der Fullerene«, auch Buckyballs genannt, einer neuen Form des Kohlenstoffs mit kugelförmigen Molekülen.
Biografien
Robert Floyd Curl, * Alice (Texas) 23. 8. 1933; ab 1967 Professor an der Rice University in Houston (Texas), untersuchte unter anderem instabile, kurzlebige Moleküle, die im gasförmigen Zustand während chemischer Reaktionen auftreten, Experte für Mikrowellen- und Infrarotspektoskropie.
Sir (seit 1995) Harold Walter Kroto, * Wisbech (Cambridgeshire) 7. 10. 1939; ab 1985 Professor an der University of Sussex in Brighton; Arbeiten unter anderem zur Chemie kohlenstoffhaltiger Verbindungen und zur Analyse von Gaswolken im Weltraum, Experte für Mikrowellenspektroskopie.
Richard Errett Smalley, * Akron (Ohio) 6.6. 1943; ab 1976 Professor an der Rice University in Houston (Texas). Beschäftigte sich unter anderem mit Aggregaten aus Atomen und Molekülen, den so genannten Clustern; erfand im Rahmen dieser Tätigkeit ein Gerät, mit dem man nahezu jedes Material verdampfen und anschließend untersuchen kann.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Wolfgang Krätschmer vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik und Donald Huffman von der University of Arizona in Tucson bestätigen eine spöttische Redensart in den naturwissenschaftlichen Labors der Welt eindrucksvoll: »Wissenschaftliche Durchbrüche resultieren häufig aus absolut zufälligen Entdeckungen.« Eigentlich suchten die Forscher 1983 nach einer Erklärung für 60 geheimnisvolle Linien im Spektrum des Lichts, das aus dem Weltraum zur Erde dringt. Als Abfallprodukt ihrer Laborexperimente erhielten sie größere Mengen einer neuen Verbindung aus reinem Kohlenstoff, die sie aber nicht untersuchten. Damit brachten sich die beiden Forscher um den Nobelpreis. Den erhielten 1996 Robert Curl, Richard Smalley und Harold Kroto, die 1985 die gleiche Verbindung synthetisierten. Mit einem Laserstrahl ließen sie Graphit in einem Heliumstrom verdampfen und erhielten so die gleiche Kohlenstoffverbindung, die Wolfgang Krätschmer und Donald Huffman bereits zwei Jahre zuvor hergestellt hatten. Allerdings lieferte der Laser nur wenige Moleküle der Verbindung. Die aber reichten, um die Struktur nachzuweisen. Und die wiederum war eine Sensation, die völlig zurecht mit dem Nobelpreis geehrt wurde.
Der Fußball der Chemie
Die neue Verbindung besteht aus insgesamt 60 Kohlenstoffatomen ohne irgendein weiteres Atom im Molekül. Ganze zwei Verbindungen waren bis dahin bekannt, die aus reinem Kohlenstoff bestehen: Graphit und Diamant. Beide haben jedoch völlig andere Eigenschaften als die neue Substanz. In dieser bilden die 60 Kohlenstoffatome 20 Sechsecke und zwölf Fünfecke. Jedes Vieleck teilt alle Außenlinien mit fünf oder sechs Nachbarn. Nahtlos fügen sich die 32 Flächen so zu einer innen hohlen Kugel zusammen. Aus statischen Gründen ist das entstehende Gebilde stabiler, wenn kein Fünfeck an ein anderes Fünfeck grenzt. Der entstehende Körper ähnelt einem makroskopischen Vorbild, das jedes Wochenende in den Stadien Europas und Südamerikas die Massen begeistert — einem Fußball. Allerdings ist der Kohlenstoffball mit einem Millionstel Millimeter erheblich kleiner als die Lederkugel.
Fußball ist jedoch in den USA nicht allzu beliebt. Daher fühlten sich Robert Curl und Richard Smalley auch weniger an die Lederkugel als an die Gebäude des exzentrischen Architekten Buckminster Fuller erinnert. Dieser hatte auf der Weltausstellung 1967 im kanadischen Montreal eine geodätische Kuppel gebaut, die dem Fußball und dem Fußball-Molekül aufs Haar ähnelt. Dem Architekten zu Ehren tauften die Forscher ihre Entdeckung Buckminsterfulleren.
Schon 1985 beschrieben die Wissenschaftler eine weitere Verbindung aus 70 Kohlenstoffatomen, die sich ähnlich wie das Buckminsterfulleren aufbaut: 25 Sechsecke und zwölf Fünfecke ergänzen sich zu einem Miniatur-Rugbyball. Bald entdeckten die Forscher eine ganze Reihe weiterer Kohlenstoffverbindungen, die alle mehr oder minder große, hohle Kugeln bilden und die unter dem Oberbegriff Fullerene zusammengefasst werden.
Ähnlichkeiten mit Benzol?
Die Struktur dieser Fullerene war geklärt, experimentieren aber konnte niemand mit den Substanzen, da jeweils nur wenige Moleküle hergestellt werden konnten. Dabei setzten die Wissenschaftler große Hoffnung in diese Verbindungen, denn sie ähneln einer anderen Kohlenstoffverbindung, die bereits im 19. Jahrhundert viele Chemiker faszinierte, dem Benzol. Die Struktur eines flachen, zweidimensionalen Sechsecks für dieses Molekül fiel dem deutschen Chemiker Friedrich Kekulé angeblich im Traum ein. Buckminsterfulleren dagegen ist dreidimensional und enthält im Gegensatz zu Benzol kein einziges Molekül Wasserstoff. Aus der Strukturaufklärung des Benzols erwuchs bereits am Ende des 19. Jahrhunderts ein kompletter Zweig der Chemie, die aromatische Chemie. Sie ist noch heute ein wichtiges Standbein der chemischen Industrie.
Rückgriff auf alte Erkentnisse
Eine ähnliche Entwicklung könnte auch den Fullerenen bevorstehen, vermuteten Curl, Kroto und Smalley bereits Mitte der 1980er-Jahre. Aber nur, wenn ausreichend Fullerene zur Verfügung stünden. Eine Erfolg versprechende Synthese im größeren Maßstab aber fanden die Forscher nicht. Erst als das angloamerikanische Team seine Ergebnisse veröffentlicht hatte, erinnerten sich Wolfgang Krätschmer und Donald Huffman an ihre alten Experimente. Sie konnten die neuartigen Moleküle in großen Mengen produzieren: Eine elektrische Widerstandsheizung verdampft Graphitstäbe, der freigesetzte Kohlenstoff kondensiert in einer Atmosphäre aus Helium langsam zu Fullerenen. Dabei entstehen so große Mengen der neuen Verbindungen, dass nicht nur viele Experimente, sondern auch erste praktische Anwendungen möglich werden.
Was wird aus dem neuen Stoff?
Setzen Chemiker Metallatome in die Mitte der molekularen Hohlkugeln, »leihen« diese einzelne Elektronen an die Fullerene aus. Bei sehr tiefen Temperaturen bewegen sich diese zusätzlichen Elektronen extrem leicht, die Substanzen werden supraleitfähig, wie die Physiker diesen Zustand nennen. Strom lässt sich unter diesen Umständen ohne die sonst üblichen enormen Verluste transportieren. Obendrein tritt die Supraleitfähigkeit bei vergleichsweise hohen Temperaturen auf. Da extreme Kälte nur sehr aufwendig und teuer erzeugt werden kann, ist das eine sehr erwünschte Eigenschaft. Auch über eine Verwendung als Raketentreibstoff, als Grundstoff für die Diamantherstellung, als mikroelektronische Bauteile und als trojanisches Pferd, mit dessen Hilfe Arzneimittel durch den Körper zum Zielorgan transportiert werden können, diskutieren Forscher bisher heftig. Den Nobelpreis erhielten die drei Chemiker im Jahr 1996 daher völlig verdient.
R. Knauer, K. Viering