„Was Sie gefunden haben, ist ein Fußball!“

Geschrieben von Liu Dun

Eines Tages im September 1985 beendete Harold Kroto von der University of Sussex in Großbritannien seinen kurzen Besuch an der Rice University in Texas und lud vor seiner Abreise mehrere amerikanische Kollegen zu einem Abschiedsessen ein. Beim Abendessen gab es nur ein Gesprächsthema: Gibt es einen Atomcluster C60, der aus 60 Kohlenstoffatomen besteht? Wenn ja, wie ist seine Struktur? Kroto und die Gäste zeichneten verschiedene dreidimensionale Figuren auf Servietten, aber die Ergebnisse waren nicht eindeutig.

Im vergangenen Jahr hat sich Kroto zusammen mit Robert Curl, Richard Smalley und anderen von der Rice University der Erforschung der Struktur einer Art großer Kohlenstoffmoleküle gewidmet. Ihr Experimentalteam verwendete einen von Smalley erfundenen Clustergenerator, um Mikrowellensignale von C60 und einigen ähnlichen Kohlenstoffatomclustern zu erkennen. Diese Signale weisen eine große Ähnlichkeit mit den Signalen auf, die Kroto in bestimmten Bereichen des Weltraums mit Radioteleskopen aufgefangen hat. Die Frage ist: Wie verbinden sich so viele Kohlenstoffatome zu einer stabilen Struktur? Die meisten Menschen denken dabei an die beiden häufigsten Formen von Kohlenstoff: Graphit und Diamant. Graphit besteht aus vielen Schichten von Kohlenstoffatomen, die in einer hexagonalen Form angeordnet sind. Ist es möglich, ein großes Netzwerk mit einer hexagonalen Grundstruktur (durch Druck-, Temperaturänderungen oder die Zugabe von Verunreinigungen) so zu biegen, dass ein kugelförmiges Objekt entsteht? Kroto und andere dachten anfangs in diese Richtung. Beim Abendessen an diesem Tag erinnerte er sich jedoch plötzlich an ein Pappspielzeug zu Hause in Sussex. Es war ein Sternenhimmelmodell, das er in diesem Jahr für seinen Sohn kaufte. Er erinnerte sich vage, dass sich darauf sowohl Fünfecke als auch Sechsecke befanden.

Zurück in Coles Haus, wo er vorübergehend wohnte, dachte Kroto erneut an das Spielzeug und zögerte, ob er seine Frau anrufen und sie bitten sollte, zu zählen, ob es genau 60 Scheitelpunkte am Sternenhimmel gab. Cole riet ihm, den süßen Traum seiner Frau nicht zu stören, da es in England gerade Morgengrauen sei und ein solcher Zufall außerdem unmöglich sei.

Auch James R. Heath, ein weiterer Strukturchemiker, der am Abendessen teilnahm, und seine Frau waren nicht untätig. Auf dem Heimweg kauften sie in einem Lebensmittelladen eine Tüte Gummibärchen und Zahnstocher. Als sie nach Hause kamen, konnten sie es kaum erwarten, ein Modell zu bauen. Sie verwendeten Gummibärchen als Darstellung von Kohlenstoffatomen und Zahnstocher als Darstellung von Verbindungsbindungen. Sie ordneten zunächst ein Sechseck an, das der Grundstruktur von Graphit ähnelte, und versuchten dann vergeblich, eine geschlossene Struktur aufzubauen.

Smalley war die Person, die am meisten mit anpackte. Nach seiner Rückkehr nach Hause spielte er eine Weile am Computer herum, wusste aber immer noch nicht weiter. Danach nahm er einfach Stift, Papier, Schere und Kleber zur Hand und begann mit dem Kinderbasteln. Er schnitt zunächst einige kongruente regelmäßige Sechsecke aus und klebte sie dann Kante an Kante zusammen, um eine geschlossene Kugelstruktur zu schaffen, erkannte jedoch schließlich, dass dies unmöglich war. Es war nach Mitternacht, aber Smalley wurde zunehmend müde. Er holte eine Flasche Bier aus dem Kühlschrank und nachdem er sie getrunken hatte, erinnerte er sich plötzlich an das Spielzeugmodell, das Kroto erwähnt hatte – ja, warum nicht ein Fünfeck ausprobieren? Er machte eine Reihe regelmäßiger Fünfecke mit der gleichen Seitenlänge und begann erneut mit der Arbeit. Er begann mit einem Fünfeck und klebte auf jede Seite ein Sechseck. Die Papierstruktur ließ sich leicht nach oben biegen, sodass eine Schüsselform entstand. An diesem Punkt war Smalley ermutigt und hatte das vage Gefühl, dass diese Kombination wiederholt werden könnte. Anschließend fügte er fünf Fünfecke und fünf Sechsecke hinzu, die um den Rand der Schüssel herum angeordnet waren, um eine halbkugelförmige Form zu schaffen. Anschließend fügte er weitere Fünf- und Sechsecke hinzu, wobei er stets das Muster von fünf Sechsecken um jedes Fünfeck beibehielt, und schuf schließlich eine perfekte Polyederstruktur, die einer Kugel ähnelte. Es gibt 12 regelmäßige Fünfecke und 20 regelmäßige Sechsecke. Ja, das sollte die Struktur von C60 sein!

Am nächsten Morgen brachte Smalley sein Meisterwerk zur Universität und rief unterwegs alle Teammitglieder an, ins Büro zu kommen. Als er den Papierball, den er in seiner durchwachten Nacht gebastelt hatte, auf den Couchtisch warf, waren alle sprachlos. Kroto bestätigte, dass das Sternenhimmelmodell in seinem Haus so aussah. Der vorsichtige Cole begann zu testen, ob jedes Kohlenstoffatom des Modells die Bindungsbedingungen erfüllte. Am Ende waren sich alle einig, dass es sich um eine neue Kohlenstoff-Molekülstruktur handelte, nach der sie gesucht hatten.

Links: Smalleys Papiermodell von C60, auf dem Kroto und Cole Beschriftungen zur Kennzeichnung von Doppelbindungen anbrachten, um zu überprüfen, ob jedes Kohlenstoffatom die Bindungsanforderungen erfüllte. Rechts: Das Lehrmittel in Form einer polyedrischen Sternkuppel, das in Krotos Haus Zehntausende Kilometer entfernt aufbewahrt wurde, stellte sich später als exakt identisch mit Smalleys Modell heraus.

Mathematiker wüssten etwas mit solch perfekter Symmetrie. Smalley dachte, er sollte Vico, den Leiter der Mathematikabteilung, anrufen. Nachdem er den Aufbau des Modells beschrieben hatte, nahm er Vicos Glückwünsche telefonisch entgegen. Er könnte ein alter Mann sein und fügte hinzu: „Kinder, was ihr entdeckt habt, ist ein Fußball!“ Tatsächlich hätten diese Chemiker möglicherweise weniger Umwege machen müssen, wenn sie früher Mathematiker konsultiert hätten, denn gemäß Eulers Formel für Polyeder gibt es kein konvexes Polyeder, das ausschließlich aus Sechsecken besteht. [Anhang: Wenn sie einen anderen sachkundigen Mathematikhistoriker finden, kann er ihnen vielleicht sagen: Ein Polyeder, das aus zwei (oder drei) kongruenten regelmäßigen Polygonen besteht, wird als halbregelmäßiges Polyeder bezeichnet. Es wird gesagt, dass Archimedes im antiken Griechenland insgesamt 13 verschiedene halbregelmäßige Polyeder entdeckte (so wie Platon oder seine Schule wussten, dass es insgesamt 5 verschiedene regelmäßige Polyeder gab), daher die Bezeichnung „Archimedische Polyeder“. Auch die Struktur von C60 ist ein archimedischer Körper. ]

Als man darauf aufmerksam wurde, wussten alle nicht, ob sie lachen oder weinen sollten. Ja, ein moderner Fußball besteht aus 20 (weißen) Sechsecken und 12 (schwarzen) Fünfecken und hat genau 60 Eckpunkte. Aufgeregt rannte Heath zu einem nahegelegenen Sportgeschäft und brachte einen echten Fußball mit. Zufällig war dieser Tag sein Geburtstag. Nach einiger Diskussion entschieden sich alle, Krotos Vorschlag anzunehmen und das neue Molekül „Fulleren“ zu nennen, da der Entwurf der Gitterkuppel des amerikanischen Architekten Buckminster Fuller als Inspiration für ihre Diskussion gedient hatte.

Fullers Kuppel für den US-Pavillon auf der Weltausstellung 1967 in Montreal

1996 erhielten Kroto, Curr und Smalley für ihre Entdeckung der Fullerene den Nobelpreis für Chemie. Ihr Beitrag besteht nicht nur in der Entdeckung der Existenz des fußballförmigen Fullerens C60 und der Bestimmung seiner Struktur, sondern auch in der Eröffnung einer neuen Richtung für die Erforschung der „sphärischen chemischen Struktur“. C60 ist nur ein Bestandteil der riesigen Fulleren-Familie. Immer mehr Fullerene werden im Labor entdeckt oder hergestellt. Fullerene und ihre Derivate finden breite Anwendung in der Supraleitung, bei Nanomaterialien, beim Entwurf großer Kohlenstoffstrukturen und in der Virologie und haben auch die Theorie der kosmischen Evolution stark unterstützt.

Von links nach rechts: Croto, Cole, Smalley

Auf dem Cover des Magazins Nature im November 1985 wurde berichtet, dass Cole, Kroto und Smalley das Fulleren C60 entdeckt hatten.

All diese Geschichten werden in dem Buch „Perfect Symmetry“ (geschrieben von Baggott, übersetzt von Li Tao und Cao Zhiliang, veröffentlicht von Hai Science and Technology Education Press) erzählt.

Dieser Artikel wurde ursprünglich am 30. August 2018 im Southern Weekend veröffentlicht und vom Autor mit geringfügigen Änderungen zur Veröffentlichung in Fanpu autorisiert.

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