Die Vielfalt des Kohlenstoffs

Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Elemente des Periodensystems. Es bildet die Grundlage allen Lebens, ist verantwortlich für die Funktionalität des Körpers und spielt eine Rolle in den wichtigsten Reaktionen im Universum. Zusätzlich ist Kohlenstoff ein Schlüsselelement in vielen technologischen Produkten, wie synthetischen Kunststoffen, Pharmazeutika und energierelevanten Materialien. Grund dafür ist die besondere chemische Reaktivität und Vielseitigkeit von Kohlenstoff, mit dem sehr viele – sowohl elektronegative wie auch elektropositive – Elemente eine Verbindung eingehen. Kohlenstoff erlaubt auch eine sehr hohe Variabilität in der Art der chemischen Bindung, da verschiedene Hybridisierungen eingegangen werden können (sp, sp², and sp³). Daraus folgt eine sehr große Anzahl an verschiedenartigsten Strukturen und chemischen Verbindungen.

Bekannte Formen wie Diamant und Graphen

Doch nicht nur mit anderen Elementen, auch mit sich selbst kann Kohlenstoff reagieren und dabei sehr stabile und besondere Verbindungen eingehen. Die bekanntesten sind hier das Graphit, eine schichtförmig aufgebaute Struktur von Kohlenstoffringen mit jeweils sechs Atomen, und der Diamant. Beide sind seit langer Zeit bekannt. Als sogenannte Allotrope des Kohlenstoffs besitzen sie besondere und einzigartige Eigenschaften. Graphit ist elektrisch leitend, quer zu den Schichten stabil, aber anfällig gegen Scherkräfte. Diamant ist ein elektrischer Isolator und besitzt auf der anderen Seite eine einzigartige Tetraeder-Struktur, die zu seiner besonderen Härte führt. Auch hat Diamant einen außergewöhnlich hohen Brechungsindex für Licht, was ihm in geschliffener Form seine einzigartig funkelnde Brillanz verleiht.

Vor einigen Jahren wurde eine weitere Form des Kohlenstoffs entdeckt, das Graphen. Hier kommen einzelne Schichten des Graphits als Monolagen vor, die einzigartige elektronische Eigenschaften besitzen. Die Entdeckung dieses Allotrops wurde mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, ein Indiz für die Wichtigkeit, die Allotrope des Kohlenstoffs besser zu verstehen [1].

Ebenfalls mit den höchsten wissenschaftlichen Ehren ausgezeichnet wurde die Entdeckung der Fullerene, einer sphärischen Form des Kohlenstoffs [2]. Die Struktur von Buckminsterfulleren, einem Fulleren bestehend aus 60 Kohlenstoffatomen, entspricht einem Fußball. Und genau wie ein Fußball aus fünf- und sechseckigen Lederstücken zusammen gebaut wird, besteht die Form eines [60]Fulleren aus fünfeckigen und sechseckigen Kohlenstoffringen (siehe Abb. 2). In synthetischem Maßstab werden Fullerene überwiegend als C₆₀ und C₇₀ beziehungsweise als chemische Modifikationen derselben hergestellt und erforscht. Sie besitzen überaus attraktive opto-elektrische Eigenschaften, was sie für die anstehende Energiewende außerordentlich attraktiv macht.

Ein unerwarteter Fund

Fullerene werden gewöhnlich aus Ruß hergestellt, was sehr hohe Temperaturen weit oberhalb von 1000 °C benötigt. Natürliche Vorkommen von Fullerenen sind bisher immer gekoppelt an hochenergetische Vorfälle, wie Meteoriten- oder Blitzeinschläge. Man findet sie auch in der Umgebung von Müllverbrennungsanlagen, also an Orten, die auf einen künstlichen oder aber zumindest einen hochenergetischen Einfluss hindeuten.

Kleinere Fullerene von zirka C₃₀ bis C₆₀ gelten bislang als nicht stabil, weil die Ringstrukturen hier sehr starken Biegungskräften unterliegen. Je kleiner die Sphäre ist, desto mehr Fünfringstrukturen sind direkt aneinander gekoppelt, ohne dass sie – wie beim Fußball – von Sechsringen voneinander getrennt sind. Dies führt zu deutlich stärkeren Spannungen innerhalb der „Kugel“ und reduziert so die Stabilität. Als stabil gelten Fullerene, bei denen Fünfringstrukturen isoliert vorkommen, was nur für eine Sphäre aus mindestens 60 Kohlenstoffatomen möglich ist. Kleinere Strukturen, bei denen Fünferringe aneinander gekoppelt sind, gelten aufgrund theoretischer Berechnungen als nicht stabil und ihr natürliches Vorkommen in größerer Menge daher als unwahrscheinlich.

Nun ist es unserer Gruppe am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung gelungen, eine Vielzahl an Fullerenen in natürlichem fossilem Material zu entdecken [3, 4]. Dieses Material ist eine Fraktion eines schweren Erdöls, hier besonders die Asphaltenfraktion. Dabei handelt es sich um die am schwersten lösliche Fraktion des Erdöls, die schon fast an Kohle oder Teer reicht, aber noch in flüssiger Form vorkommt. Diese Asphaltene sind – getrennt von den anderen Erdölkomponenten – ein fester, metallisch glänzender und an Graphit erinnernder Festkörper. In solchen Asphaltenfraktionen haben wir mit Hilfe der ultrahochauflösenden Massenspektrometrie eine große Bandbreite an verschiedenen Fullerenen gefunden, beginnend von C₃₀ bis fast zu C₁₅₀. Zwar ist ihre Konzentration in einem Erdöl sehr gering, aber auch die theoretisch instabilen Fullerene sind eher noch in größeren Mengen zu detektieren als die synthetisch zugänglichen C₆₀ und C₇₀.

Moderne theoretische Methoden stützen Befund

Diese Entdeckung war zunächst sehr unerwartet, da die Bildung von Erdöl zwar mit mehreren Millionen von Jahren sehr lange dauert, es hierbei aber nicht zu Hochenergieereignissen kommt, die man sonst mit der Bildung von Fullerenen assoziiert. Die Detektion wurde untermauert durch theoretische Berechnungen mit Hilfe des am Institut entwickelten Softwarepakets ORCA. Bei den Untersuchungen wurde sowohl auf Coupled-Cluster-Ebene, einer aufwendigen Ab-initio-Methode der theoretischen Chemie, als auch auf der Ebene der klassische Dichtefunktionaltheorie (DFT) gearbeitet. In weiteren Untersuchungen, unter anderem mit Hilfe der Elektronenmikroskopie, wurden neben den Fullerenen auch Kohlenstoffnanoröhrchen und einzelne Graphen-Lagen im schweren Erdöl gefunden, alles neue Entdeckungen in natürlichen Vorkommen.

Diese Entdeckungen bilden ein neues Forschungsfeld innerhalb unserer Gruppe. Wir haben dann untersucht, wie genau die Daten sind, insbesondere in Hinblick auf die Intensitätsverteilungen [5]. Hier konnten wir feststellen, dass die kleinen Fullerene wirklich in leicht größerer Menge gebildet werden, als das eigentlich stabilere C₆₀. Auch hier halfen theoretische Berechnungen weiter, die genauen Zusammenhänge besser zu verstehen. Dies ist auch ein sehr spannendes Beispiel dafür, wie organische Chemie, hochmoderne analytische Methoden und sehr intensive theoretische Rechnungen zum Verständnis von natürlichen Vorgängen beitragen können. Und nach den bisherigen Ergebnissen ist die Erforschung dieser „kleinen Fullerene“, die es theoretisch eigentlich nicht geben dürfte, erst am Anfang.

Literaturhinweise: