Jeden Tag werden in den Laboratorien rund um den Globus Hunderte, vielleicht Tausende neuer Stoffe geschaffen. Dadurch wurde die Natur schon um rund 15 Millionen gut charakterisierte Verbindungen bereichert. Die Synthese einer neuen Substanz ist also zunächst nichts Besonderes.
Kohlenstoff war schon zu prähistorischen Zeiten in Substanz (Holzkohle, Ruß) bekannt, auch wenn man erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts erkannte, daß es sich um ein Element handelt. Seit mehr als sechstausend Jahren dient Kohlenstoff zur Reduktion von Metallerzen, zunächst — in Form von Holzkohle — zur Gewinnung von Blei und Kupfer, später von Bronze und von Eisen. Im Jahre 1708 erfand Abraham Darby* die Substitution der nach weitgehender Abholzung der europäischen Wälder knapp werdenden Holzkohle durch Steinkohlenkoks für die Eisenverhüttung. Heute ist der durch Verkokung von Steinkohle produzierte Hüttenkoks zur Stahlproduktion in Hochöfen mit einer Menge von über 350 Millionen Tonnen pro Jahr das technisch bedeutendste Kohlenstoff-Erzeugnis.6
In diesem Kapitel werfen wir einen Blick in das lange Zeit von den Wissenschaftlern vernachlässigte, aber faszinierende Gebiet der Cluster, das heißt Atomaggregate, die zu groß sind, um Moleküle genannt zu werden, aber noch zu klein, um zumindest die Struktur eines Kristalls zu haben.
Man weiß schon seit längerem, daß Kohlenstoff ein sehr «clusterfreudiges» Element ist, weil es leicht große, kovalent gebundene Atomverbände bildet. Die erste — dokumentierte — Beobachtung von reinen Kohlenstoff-Clustern gelang 1942 dem berühmten Chemiker und Nobelpreisträger Otto Hahn, der zusammen mit Fritz Strassmann und Lise Meitner am Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin-Dahlem die Kernspaltung entdeckte (1938).
Wer war dieser Richard Buckminster Fuller (Abbildung 55), Namenspatron einer ganzen Klasse polyedrischer Kohlenstoff-Moleküle? «Ein Ingenieur, der an der Harvard University Poesie lehrte; ein technischer Utopist, der in den sechziger Jahren zum Guru jener amerikanischen Hippies und Drop outs wurde, die sich an der kalifornischen Westküste so billige wie phantasievolle Wegwerfhütten aus dem Müll der modernen Zivilisation bastelten»96, schrieb die «Frankfurter Allgemeine Zeitung» in einem Nachwort zu seinem Tode 1983.
Mit den Fullerenen ist zum ersten Mal ein Gebiet der Chemie in das öffentliche Bewußtsein gerückt, das anschaulich Moleküle und deren ästhetischen Reiz vor Augen führt. Die Faszination von «schönen», manchmal «exotisch», vielleicht sogar «esoterisch» anmutenden Strukturen hat indes die Chemiker schon häufig inspiriert. Solche Gebilde finden sich mehr oder weniger ausgeprägt in fast allen Verbindungsklassen der Organischen Chemie: stern- und würfelförmige Kohlenwasserstoffe, «Henkelverbindungen», Käfige, mehrfach ineinandergefädelte oder verknotete Ringe, bei Biomolekülen wie auch bei Orbitalen und Kristallgittern. Molekulare Strukturen, wie in Abbildung 56 gezeigt101, können für den Chemiker «reizvoll» sein — ein wichtiger Aspekt der Naturforschung, der heute im Zuge einer gewissen Wissenschaftsfeindlichkeit leicht übersehen wird!
Von Bor, dem linken Periodennachbarn des Kohlenstoffs, kennt man heute mindestens sechs verschiedene allotrope Modifikationen, aber nur von dreien ist die Struktur vollständig aufgeklärt. Bei allen dreien tritt als charakteristische Struktureinheit ein Ikosaeder aus Bor-Atomen auf. Jedes Bor-Atom ist im B12-Ikosaeder durch Mehrzentrenbindungen* an fünf B-Atome gebunden, so daß insgesamt 12 reguläre Fünfecke gebildet werden.
Neben Synthese, Extraktion und Trennung untersuchen die Forscher natürlich auch die chemischen Eigenschaften der Fullerene. Es wurden bereits Tausende neuer Moleküle geschaffen, die als Bestandteil einen oder mehrere C60- oder auch C70-Bälle enthalten. Diese Synthesen dienen vorläufig dazu, die Vielfalt der Verbindungen kennenzulernen, ohne daß mögliche Anwendungen das Ziel sind.
Weshalb die Fullerene sowohl auf den Forscher als auch auf den Laien eine so große Faszination ausüben, ist leicht zu erklären. Zum Teil ist die Euphorie sicherlich auf den «Schock» zurückzuführen, daß ein alter Bekannter, der Kohlenstoff, der wichtigste Grundstoff irdischen Lebens, lange Zeit ein großes Geheimnis bewahrt hat. Vor der Entdeckung von Fulleren durch Smalley und Kroto (1985) dachte die Wissenschaft, das Element Kohlenstoff sei verstanden. Aber dann zeigte sich, daß man überhaupt nichts verstanden hatte. In Wirklichkeit ist der flache Graphit, wie man ihn aus den Lehrbüchern kennt, nur der abstrakte Grenzfall einer einzigen Struktur. Es wurden völlig neue, auf dem Element Kohlenstoff beruhende Strukturen entdeckt. Sie reichen vom hochsymmetrischen C60, das die Form eines Fußballs hat, über das chirale, doppelt-helikale Fulleren C76 und röhrenförmige Kohlenstoff-Fasern bis hin zu dreidimensionalen Kohlenstoff-Netzwerken.
