Fullerene, eine allotrope Modifikation des Kohlenstoffes (ein Element in verschiedenen Zustandsformen).

Lange Zeit glaubte man, dass das Element Kohlenstoff nur in sechs allotropen Formen vorkommt, in denen die Atome auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sind (zwei Diamant-, zwei Graphit- sowie zwei weitere Formen). Im Diamantkristall hat jedes Kohlenstoffatom vier nächste Nachbarn. Diese gleichmäßige Anordnung erstreckt sich über den gesamten, extrem harten Kristall. Im Graphit bilden die Kohlenstoffatome sechseckige, flache Ringe, die jeweils in einer Ebene miteinander verbunden sind. Diese in Schichten angeordneten Ebenen können leicht übereinander hinweggleiten, wodurch Graphit weiche Eigenschaften erhält. Kohlenstoff ist eines der am besten untersuchten Elemente. Deshalb war die Fachwelt sehr überrascht, als 1985 eine neue Modifikation, das Fulleren, entdeckt wurde. Ein Vertreter dieser neuen Kohlenstoffmodifikation ist das Buckminster-Fulleren.

Im Buckminster-Fulleren sind 60 Kohlenstoffatome zu einem nahezu kugelförmigen C₆₀-Molekül miteinander verbunden. Die Atome bilden Einheiten aus jeweils Fünf- bzw. Sechsecken, die ihrerseits miteinander verknüpft sind. Die Bindungen zwischen diesen Einheiten entsprechen sozusagen den Nähten eines Fußballes. Die Struktur dieses Moleküls ähnelt den geometrischen Figuren, die der amerikanische Architekt Richard Buckminster Fuller entwickelt hatte. Deshalb hat man die C₆₀-Form nach ihm benannt. Die Moleküle anderer Fullerene enthalten mehr Kohlenstoffatome, und ihre Formen ähneln gestreckten Versionen des fußballähnlichen Buckminster-Fullerens. Nachdem dieses in größeren Mengen hergestellt werden konnte, dauerte es nicht mehr lange, bis eine feste Form (Fullerit) synthetisiert wurde. In diesem durchsichtigen, gelben Festkörper sind die Moleküle zu einer dicht gepackten Anordnung verbunden – und zwar in derselben Weise, wie man auch Kugeln übereinander legen kann.

Am Anfang dieser Forschung wurden Fullerene in einem Molekularstrahl hergestellt. Bei diesem Verfahren ließen sich nur sehr geringe Mengen erzeugen. Später konnte man mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens, der in einer Heliumatmosphäre zwischen zwei Kohleelektroden brennt, größere Mengen erzielen (siehe unten). Mittlerweile ist auch bekannt, dass Fullerene sich ebenfalls in rußenden Flammen bilden können.

Die Chemiker begannen bald, die Eigenschaften der Fullerene zu untersuchen. Es besteht tatsächlich die Aussicht, dass die Fullerene der Chemie ein ganz neues Gebiet erschließen, ähnlich dem Aufkommen der Aromatenchemie vor 150 Jahren, nachdem man das Benzol entdeckt hatte. Eine der hervorstechendsten Eigenschaften der Fullerene ist es, dass Atome anderer Elemente des Periodensystems in den leeren Käfig im Inneren dieser Kohlenstoffmoleküle eingebaut werden können, als wären sie in eine Folie eingeschweißt. Fügt man z. B. Metallatome in röhrenförmige Fullerenmoleküle ein, so erhält man sozusagen einen mikroskopischen, rundum isolierten leitfähigen Draht. Bemerkenswert ist auch, dass bestimmte Verbindungen des Buckminster-Fullerens (vor allem das so genannte K₃C₆₀) bei tiefen Temperaturen supraleitend sind – beispielsweise bei -220 °C. Die Sprungtemperatur lässt sich durch Einlagerung von chlorierten oder bromierten Kohlenwasserstoffen in das Kristallgitter der Fullerene sogar auf oberhalb von -200 °C anheben. So liegt die Sprungtemperatur von C₆₀-Kristallen mit eingelagerten Chloroform- bzw. Bromoformmolekülen (CHCl₃ bzw. CHBr₃) bei -193 °C bzw. -156 °C. Auch C₇₀-Moleküle zeigen, so modifiziert, supraleitende Eigenschaften.

Einige Derivate des Buckminster-Fullerens (C₆₀) stellten sich als biologisch aktiv heraus. Es wurde bereits versucht, sie gegen Krebs einzusetzen. Es existiert eine Hypothese, nach der die fußballförmigen Moleküle die aktiven Zentren der Enzyme besetzen und damit ihre Wirkung hemmen könnten.

Für die Entdeckung der Fullerene erhielten die Chemiker Sir Harold W. Kroto (University of Sussex in Brighton), Robert F. Curl und Richard E. Smalley (beide Rice University in Houston, Texas) 1996 den Nobelpreis für Chemie. Dem Briten und den beiden Amerikanern gelang die Entdeckung bereits 1985. Die Struktur dieser Moleküle beruhte lange Zeit auf theoretischen Überlegungen und war nicht unumstritten, zumal es an Methoden fehlte, Fullerene in größeren Mengen zu produzieren. Dies gelang erstmals 1990 den Physikern Wolfgang Krätschmer aus Heidelberg und Donald Huffman aus Tucson (Arizona) mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens (siehe oben).

Einem Forscherteam der Universität Wien gelang es 1999, einen Molekülstrahl aus C₆₀-Molekülen zu erzeugen und diesen auf ein Gitter mit 50 Nanometer breiten Schlitzen zu lenken. Der C₆₀-Molekülstrahl verhielt sich dabei wie ein Lichtstrahl an einem Beugungsgitter: Er zeigte das Phänomen der Interferenz. Die räumliche Verteilung der C₆₀-Moleküle hinter dem Gitter registrierten die Wissenschaftler mit Hilfe eines nachgeschalteten ionisierenden Lasers sowie eines Ionendetektors. Mittlerweile konnte das Team das Wellenverhalten auch mit einem C₇₀-Molekülstrahl nachweisen.

Siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus