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News: Neue Struktur bei Nanobällen

Fußbälle mit Metallfüllung - autsch, denkt da jeder kickende Sportsfreund. Doch für einige Chemiker, zu deren beliebtesten Spielzeugen die fußballartigen Fullerene zählen, bedeuten sie große Freude. Durch den Einschluss von Metallatomen in Fullerene brachten Forscher jetzt ein ungeschriebenes Gesetz zu Fall: Die neu geschaffenen 'Metallofullerene' zeigen, dass sich deren fünfeckige Molekülflächen auch nebeneinander anordnen lassen, ohne dass die Struktur instabil wird.
Bis 1985 waren Fullerene noch völlig unbekannt. Doch seit der Entdeckung durch die späteren Nobelpreisträger Robert F. Curl Jr., Harold Kroto und Richard E. Smalley weiß man, dass reiner Kohlenstoff nicht nur in der Form von amorphem Graphit oder kristallinen Diamanten vorkommt. Es gibt auch Kohlenstoff-Gitter, die einen Hohlraum umgeben, eben Fullerene. Seit damals ist man davon ausgegangen, dass diese Moleküle nur dann stabil sein könnten, wenn sie aus geraden Zahlen von Kohlenstoffatomen bestehen, deren Struktur Fünfecke bildet, die durch Sechsecke voneinander getrennt sind. Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern um Harry C. Dorn vom Virginia Polytechnic Institute ein neues Fulleren entwickelt, das nicht instabil ist, obwohl die Pentagone in direkter Nachbarschaft liegen (Nature vom 23. November 2000).

Die Entwicklung dieses "Metallofullerens" wurde erst durch frühere Forschungen des Teams möglich, bei denen es gelang, vier Metall-Atome in ein Kohlenstoff-Gitter aus 80 Atomen einzuschließen. Damals entdeckten die Wissenschaftler, dass Stickstoff bei der Einfügung der Metall-Atome in das Fulleren sehr hilfreich ist. Die neu entwickelte Struktur hat nur 68 Kohlenstoff-Atome und wird durch drei Metall-Atome stabilisiert, die wiederum ein Stickstoff-Atom umgeben.

"Es ist sehr bemerkenswert, dass ein Käfig aus 68 Kohlenstoff-Atomen ein Molekülgitter von vier Atomen umschließen kann", sagt Dorn. Eine theoretische Arbeit von Patrick Fowler von der University of Exeter zeigte, welchen Stellenwert diese Entdeckung hat: Computermodelle lieferten jetzt 6332 Möglichkeiten, Fullerene zusammenzusetzen. Davon stimmten nur elf mit der gefundenen Struktur überein und nur eine einzige ist stabil.

Als die Forscher die neue Fulleren-Struktur erst einmal identifiziert hatten, begannen sie, die neuen Kohlenstoff-Moleküle zu isolieren, zu vervielfältigen und zu ändern. Für das erste C68-Gitter nutzten die Chemiker das Leichtmetall Scandium, da sie es leicht mit der Magnetresonanz-Spektroskopie nachweisen können. Doch das Team schuf inzwischen eine ganze C68-Familie, indem es weitere Metalle in die Kohlenstoffgitter einfügte. Jetzt ist auch die Produktion von großen, reinen Mengen von Fullerenen mit Gittern aus Seltenerd-Metallen, wie beispielsweise Holmium, Gadolinium und Erbium, möglich. Schon die C80-Entwicklung war sehr wichtig für die Nanotechnik-Forschung. "Nun werden uns die neuen Strukturen mit den verbundenen Fünfecken dabei helfen, Defekte in Fullerenen und Nanoröhrchen zu verstehen," sagt Dorn.

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