Ein Nano-Fußball aus Bor

Das neue Fulleren: ein Hohlkäfig aus 40 Boratomen (Wang lab / Brown University)

Als vor rund 30 Jahren die Fußball-ähnlichen Fullerene entdeckt wurden, lösten sie einen wahren Schub an nanotechnischen Innovationen aus. Denn die aus 60 Kohlenstoffatomen bestehenden Hohlkugeln entpuppten sich als extrem stabile Bausteine für alle möglichen Objekte, aber auch als praktische "Nanotaxis" für Moleküle aller Art. Jetzt hat ein internationales Forscherteam nach langer Suche eine weitere Sorte solcher Nano-Hohlkugeln entdeckt: aus dem Element Bor. Der Nachbar des Kohlenstoffs im Periodensystem bildet unter bestimmten Bedingungen ebenfalls ein Fulleren – und auch dafür könnte es künftig neue Anwendungen geben.

Ihre Entdeckung war eigentlich reiner Zufall: Die drei Forscher Harold Kroto, Robert Curl und Richard Smalley wollten eigentlich  herausfinden, woraus der von einigen Roten Sternen ausgestoßene Staub besteht. Dazu experimentierten sie 1985 im Labor mit Kohlenstoff und verdampften dabei Graphit mit Hilfe von Laserstrahlen.  Bei der Analyse der entstehenden Partikel entdeckten sie erstaunlich viele Moleküle, die aus genau 60 Kohlenstoffatomen aufgebaut waren. Wie sich zeigte, bildeten diese Atome Fünf- und Sechsecke, die zu einen kugelförmigen Käfig verbunden waren – ähnlich wie die Lederstücke eines klassischen Fußballs. Diese neue Konfiguration des Kohlenstoffs wurde in Anlehnung an die geodätischen Kuppelbauten des Architekten Buckminster Fuller Buckminster-Fulleren getauft. Schnell zeigte, sich, dass diese hohlen Nano-Fußbälle andere Moleküle in ihrem Innern einschließen können und zudem sehr stabil sind – beides macht sie heute zu begehrten Bausteinen  der Nanotechnologie.

Fahndung nach Fulleren

Seither aber stellt sich für Chemiker die Frage, ob auch andere Elemente solche Fullerene bilden können. Ein naheliegender Kandidat wäre theoretisch das Bor, das im Periodensystem links neben dem Kohlenstoff steht. Allerdings trägt das Bor ein Elektron weniger in seiner Außenschale, daher war schnell klar, dass es keine 60-atomigen Kugeln formen kann, das Molekül würde in sich zusammenbrechen. Aber vielleicht gibt es ja Bor-Käfige mit anderen Atomzahlen? "Im letzten Jahrzehnt hat man vereint experimentelle und theoretische Anstrengungen unternommen, um dies zu herauszufinden", erklären Hua-Jin Zhai von der Shanxi Universität in China und seine Kollegen. Allerdings entdeckte man dabei zwar eine Graphen-ähnliche flache Borform, nicht aber die ersehnten Hohlkugeln.

Zhai und seine Kollegen hatten allerdings einen ersten Hinweis, wo sich die Bor-Fullerene doch noch verstecken könnten: Ein Cluster aus 40 Boratomen erwies sich in ihren Versuchen immer wieder als besonders stabil. Um herauszufinden, welche Form dieser Cluster haben könnte, führten die Forscher zunächst Computersimulationen durch. Ein spezielles Programm spielte dabei mehr als 10.000 mögliche Anordnungen der Atome im 40er-Haufen durch und berechnete die Bindungsenergien, denn sie erlauben Rückschlüsse darauf, ob ein Molekül stabil ist oder nicht. Zwei davon erwiesen sich als besonders günstig – und eine Anordnung davon war ein Fulleren. Aber bildete sich dieser Nano-Fußball auch in der Realität? Um dies zu überprüfen, verdampften die Forscher mit Hilfe eines Lasers Bor und erzeugten so verschieden große Borcluster. Aus diesen isolierten sie die 40er-Haufen und analysierten deren Bindungsenergie mit Hilfe der sogenannten Photoelektronen-Spektroskopie. Dabei schlägt ein Laser Elektronen aus dem Cluster heraus, deren Geschwindigkeit wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Bindungsenergie.

Hohlkugel aus 40 Atomen

Das Ergebnis: Das Bor bildet tatsächlich zwei verschiedenen Formen von 40er-Clustern, eines ein eher abgeflachtes Molekül, das andere aber ein kugeliger Käfig – ein Fulleren. "Dies ist das erste Mal, dass ein solcher Borkäfig experimentell beobachtet worden ist", sagt Seniorautor Lai-Sheng Wang von der Brown University. "Die ersten zu sein, die diese Anordnung sehen, ist eine wirklich große Sache." Nähere Untersuchungen ergaben, dass das Bor-Fulleren nicht ganz so ebenmäßig rund ist wie die Kohlenstoff-Variante. Einige Atome ragen ein bisschen nach außen aus der Kugel heraus. Das Bor lagert sich zudem nicht zu fünf- und sechseckigen Untereinheiten zusammen, sondern bildet stattdessen 48 Dreiecke, vier siebenseitige und zwei sechsseitige Ringe, wie die Forscher berichten. Die grundlegende, rundliche Käfigstruktur ist aber eindeutig zu erkennen.

"Die Beobachtung des ersten komplett aus Bor bestehenden Fullerens bereichert die Chemie und könnte zu neuen, borbasierten Materialen führen", konstatieren die Forscher. Noch sei es allerdings ein wenig zu früh, um sagen zu können, welche konkreten Anwendungen das Borospheren getaufte Fulleren haben könnte. Möglich wäre aber zum Beispiel, solche Nano-Hohlkugeln zum Speichern von Wasserstoff zu nutzen. Denn das Borospheren müsste sich besonders gut mit diesem Gas verbinden und könnte es sicher einschließen. "Es wäre wundervoll, wenn es sich als nützlich herausstellen würde", sagt Wang. Er hofft, dass diese Entdeckung eine neue Welle der Forschung an diesem Molekül und vielleicht ja auch der Innovationen auslösen wird.

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