Fullerene: Die Bucky-Balls erobern die Chemie

242 Pages·1994·8.692 MB·German

by  Joachim Dettmann (auth.)

Joachim Dettmann
Fullerene
- die Bucky-Balls
erobern die Chemie
Mit einem Vorwort von Wolfgang Kratschmer
Springer Basel AG
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Dettmann, Joachim:
Fullerene : die Bucky-Balls erobern die Chemie /Joachim
Dettmann. — Basel ; Boston ; Berlin : Birkhäuser, 1994
ISBN 978-3-0348-5706-2 ISBN 978-3-0348-5705-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-0348-5705-5
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© Springer Basel AG 1994
Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basel 1994
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1994
Umschlaggestaltung: Matlik und Schelenz, Essenheim
Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff
9 8 7 6 5 4 3 2 1
Inhal tsverzeichnis
Vorwort 9
Kapitell
Der FuBball, der vom Himmel fiel 11
Kapitel2
Das ABC des Elements Kohlenstoff 19
Historisches .. . . . . . . . . . . . . • 19
Vorkommen, Verwendung und Bedeutung von Kohlenstoff • 25
Modifikationen des Kohlenstoffs 32
Diamant 38
Graphit ........ . 40
Fulleren ....••... 46
Chaoit und Kohlenstoff VI . 56
Cyclo[nJ-Kohlenstoffe ... 56
Polymere Kohlenstoff-Netzwerke . 59
Phasenumwandlungen • . . . . • 63
Dunne Kohlenstoff-Schichten (CVD-Verfahren) 74
RuB - Rohstoff fur Fullerene 84
Kapitel3
Was sind Cluster? . 101
Eigenschaften . . 104
Herstellung ••. 106
Magische Zahlen 110
Cluster-Katalyse 112
Kapitel4
Die Fulleren Story 119
Kapitel5
Richard Buckminster Fuller (1895 bis 1983) 145
Kapitel6
In Form - Symmetrie, Topologie, Strukturen 149
Symmetrie als Harmonie der Proportionen 155
Topologie und Punktgruppen . . . • • • 158
Polyedersatz von Euler 164
Platonische Kohlen(wasser )stoff-Polyeder 173
Der Fulleren-Zoo . . . . • • • • . 181
Das Phanomen der Strukturisomerie . 184
Kohlenstoff- Rohrchen (Bucky -Tubes) 188
Hyper-Fullerene (Bucky-Onions) 190
Kapitel7
Fullerenahnliche Mikroarchitekturen . 197
Kapitel8
Chemie der Fullerene 203
Additionen an die Kafigschale . 206
Hetero-Fullerene . . . . . 210
Endohedrale Verbindungen . 211
Exohedrale Komplexe 214
Kapitel9
SchluBbetrachtung und Ausblick 221
Anhang
Verzeichnis benutzter Abkiirzungen • 227
Quellenverzeichnis ... 229
Weiterfiihrende Literatur • 234
Bildnachweis 235
Index •........ 238
Der Vorgang des Verstehens in der Natur, sowie
auch die Begluckung, die der Mensch beim
Verstehen, das heiflt beim Bewufltwerden einer
neuen Erkenntnis empfindet, scheint auf einer
Entsprechung, einem Zur-Deckung-Kommen von
prdexistenten inneren Bildern der mensch lichen
Psyche mit dufleren Objekten und ihrem
Verhalten zu beruhen.
Wolfgang Pauli
Vorwort
Bisher dachte die Wissenschaft, das Element Kohlenstoff bestehe im
wesentlichen nur aus zwei Modifikationen: Graphit und Diamant. For
schungen in den USA und in Europa haben nun aber die Existenz einer
dritten Form gesichert, die aus kafigartigen, in sich geschlossenen Mole
kulen besteht, den Fullerenen.
Den AnstoB zur Fulleren-Forschung gab die Untersuchung der in
terstellaren Materie, die ein Gebiet der astronomischen Grundlagenfor
schung ist und eine im wahrsten Sinne des Wortes sehr entfernte Thematik
darstellt. Diese Untersuchung hat zwei ganz wesentliche Entwicklungen
eingeleitet: Sie hat mit der Entdeckung des C -Molekiils die Fulleren
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Forschung uberhaupt erst begrundet und dann in einem zweiten Anlauf,
namlich der Synthese des Molekuls, zu einer gewaltigen Expansion in
Chemie, Physik und Technologie gefuhrt.
Die Entdeckung von Fulleren ist gewiB eines der aufregendsten wis
senschaftlichen Ereignisse unserer Zeit. Die Zahl der Forschungsarbeiten,
zu denen sie anregte, ist geradezu verbluffend.
Je zahlreicher aber die Berichte uber die ungewohnlichen Eigenschaf
ten der «FuBball-Molekule» wurden, des to mehr vermiBte der Wissens
hungrige eine fachlich prazise und systematische Einfuhrung in einen
Bereich, der fur den Nicht-Chemiker zunachst einmal schwer zu durch
schauen ist. Diese Lucke schlieBt das vorliegende Buch. Es vermittelt dem
interessierten Laien auf unterhaltsame Art und Weise einen hervorragen
den Dberbliek uber Geschichte, Grundlagen und Detailfragen der Fulle
ren-Chemie. Die Spannbreite reicht dabei von der Entdeekung des Koh
lenstoffs bis hin zu den neuesten Erkenntnissen in der Cluster-Forschung.
Ich wunsche diesem Bueh, daB es Interesse und Verstandnis fur
Grundlagenforschung weckt und fordert sowie dem Leser etwas von der
Faszination des VorstoBes in ein ganz neues Wissensgebiet vermittelt.
Kapitell
Der FuBball, cler vom Himmel fiel
J
eden Tag werden in den Laboratorien rund urn den Globus Hunderte,
vielleicht Tausende neuer Stoffe geschaffen. Dadurch wurde die N atur
schon urn rund 15 Millionen gut charakterisierte Verbindungen bereichert.
Die Synthese einer neuen Substanz ist also zunachst nichts Besonderes.
Urn so mehr uberrascht es, daB seit 1990 ein einfaches Molekul aus 60
Kohlenstoff-Atomen den Wissenschaftlern den Kopf verdreht. Das Un
gewohnliche an dieser Verbindung (chemische F ormel C ist ihre «sport
60)
liche Figur». Sie erscheint rund und ist jedem, aber auch wirklich jedem
vertraut: Es ist exakt die Form eines FuBballs - einmalig fur ein Molekul
(vgl. Farbtafell).
Mit dem Buckminsterfulleren - so der Fachterminus - konnte eine
ganz neue Chemie entstehen. Bisher bilden ketten- und ringformige
Verbindungen die Grundlage fur das riesige Produktangebot der chemi
schen Industrie: Farben, Kunststoffe, Pharmaka, Insektizide und Diinge
mittel, urn nur einige Beispiele zu nennen. Doch wahrend etwa beim
Benzolring, dem Grundgeriist der Aromaten- und modernen Erdolche
mie, nur sechs Stellen zum Andocken von Fremdsubstanzen zur Verfii
gung stehen, sind es beim C theoretisch - sechzig! Sechzig Atome in
60 -
einem einzigen Molekul erlauben eine schier unubersehbare Zahl chemi
scher Verbindungen.
Es sollte aber nicht nur eine Chemie an der Oberflache des Mini- FuB
balls moglich sein, sondern auch in seinem leeren Innenraum. Mit anderen
Worten, es sollte gelingen, nach Art winziger Flaschenschiffe alles Mog
liche einzuarbeiten, was unversehrt bleiben solI. Der Hohlraum von C
60
ist so groB, daB zum Beispiel fast jedes der 92 naturlichen Elemente des
Period en systems darin Platz fande. Tatsachlich haben die Wissenschaftler
auch schon eine Reihe von Atomen eingesperrt. Dariiber hinaus laBt sich
der Ball zu riesigen Ballonen «aufpumpen» und zu auBerst feinen Rohr
chen strecken. Die Eigenschaften dieser wohl ungewohnlichsten Klasse
von Kohlenstoff-Verbindungen sind iiberwaltigend in der Zahl und in
ihrer Vielfalt.
«Konig FuBball» lieB auch die Industrie aufhorchen. Supercomputer,
medizinische Mikroroboter, optische Schaltelemente - fast kein Gebiet
der Hochtechnologie bleibt auf der Suche nach Vorschlagen zu einer
technischen Verwertung der Substanz verschont. Vor all em amerikanische
Konzerne wie der Telekommunikationsgigant AT & T, Olmulti Exxon,
DuPont, groBter Chemiekonzern der Welt, und der Computerriese IBM
wetteifern urn Patente und Anwendungen in der Mikroelektronik, bei der
Kunststoffproduktion oder in der Medizin. Auch die japanischen Elek
tronikfirmen Fujitsu und NEC sowie der Automobilkonzern Mitsubishi
zeigen groBes Interesse an dem exotischen Stoff. In Deutschland nahm
der Frankfurter Chemiekonzern Hoechst die Forschung auf. Zielsetzung
ist auch hier, die Kohlenstoff-Balle daraufhin abzuklopfen, ob sie sich fiir
technische Anwendungen eignen.
Spatestens seit die Zeitschrift «Capital» in ihrer November-Ausgabe
1991 damber berichtete, diirfte der «Stoff der Stoffe» auch der Offentlich
keit bekannt sein. Erstaunt liest man dort von einem «W undermolekUl mit
dem geheimnisvollen Kurzel C6Q», das «die Welt verandern» konnte «wie
einst die Kernspaltung». Es scheint, man habe den Stein der Weisen
gefunden. So erwartet «Capital» unter anderem «Supercomputer, die in
jede Westentasche passen» oder «Motoren, die Autos mit Raketenschub
ohne Benzin und Ol antreiben».
Fest steht zumindest, daB sich mit der Entdeckung von C den
60
Chemikern ein ganz neues, noch voller Uberraschungen steckendes Ak
tionsfeld einer runden dreidimensionalen Chemie eroffnet hat. Erste
chemische Abkommlinge von C konnten bereits prapariert werden, und
60
es gibt Spekulationen, wonach Buckminsterfulleren in der Organischen
Chemie eine ahnlich bedeutende Rolle spielen konnte wie Benzol. Fiir die
Physiker erweist sich das Molekiil zweifellos als ein faszinierendes und
ergiebiges Objekt ihrer Forschung, von der Festkorperphysik iiber die
Hochtemperatur-Supraleitung bis hin zur nichtlinearen Optik. Man stoBt
dabei auf Besonderheiten, die bisher bei kaum einer Substanz zu beob
achten waren.
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