Radio Utopie

Grafik zu Animation bitte anklicken – rotierende Struktur von C60 – Saumitra R Mehrotra & Gerhard Klimeck, Wikipedia

Wissenschaftler haben die bisher grössten jemals im Weltraum entdeckten Moleküle gefunden – Die Science Fiction „Die Schwarze Wolke“ (englischer Titel „The Black Cloud“ des berühmten britischen Astrophysikers Fred Hoyle konvergiert zu Science

Die scherzhaft als „Spaceballs“ bezeichneten Kohlenstoffverbindungen bildeten sich in einer Wolke aus kosmischem Staub, die um einen Stern kreist, der sich in einer Entfernung von 6.500 Lichtjahren im Sternbild der südlichen Hemisphäre von Ara befindet.

Die Forscher berichten über diese Entdeckung in der Zeitschrift Science. Zu verdanken ist diese Überraschung der Arbeitsgruppe unter der Leitung von Jan Cami von der University of Western Ontario in Kanada, die Aufnahmen des Spitzer-Infrarot-Weltraumteleskop der NASA untersuchten.

Professor Cami und seine Kollegen waren nicht speziell auf der Suche nach Bucky Balls, denn mit der tatsächlichen Existenz dieser Fullerene konnte niemand rechnen, allerdings wurden sie theoretisch nicht ausgeschlossen. Das Team entdeckte zufällig ihre unverwechselbare Infrarot-„Unterschrift“. Als das Teleskop Emissionen bei diesen Wellenlängen entdeckte, wusste Professor Cami, dass er ein Signal der grössten jemals gefundenen Moleküle im Weltraum.gesehen hatte, berichtete BBC am 22.Juli.

„Sie schwingen und vibrieren in viele verschiedene Richtungen und damit interagieren sie sehr mit Infrarot-Licht bei bestimmten Wellenlängen.“

erklärte Professor Cami und sagte weiter, dass

„viele Wissenschaftler erwartet hatten, dass sie im Raum existieren, weil sie zu den stabilen und langlebigen Materialien gehören. Also, sobald sie sich im Raum gebildet haben, wäre es sehr schwer, sie zu zerstören.

Aber das ist der eindeutige Beweise dort für die Existenz einer völlig neue Klasse von Molekülen.“

Makromoleküle Fullerene

Die bekanntesten und stabilsten Vertreter der Fullerene haben die Summenformeln C60, C70, C76, C80, C82, C84, C86, C90 und C94. Das mit Abstand am besten erforschte Fulleren ist C60, das zu Ehren des Architekten Richard Buckminster Fuller Buckminster-Fulleren (oder auf englisch auch Bucky Ball) genannt wurde, da es den von ihm konstruierten geodätischen Kuppeln ähnelt. Es besteht aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken, die zusammen ein Abgestumpftes Ikosaeder (Archimedischer Körper) bilden. Da ein Fussball die gleiche Struktur hat, wird es auch Fussballmolekül (Footballen) genannt.

Konstruktion einer geodätischen Kuppel:

Die Forscher wollen nun herausfinden, welcher Teil des Universums Kohlenstoff in diese Kugeln zwingt. Dazu wollen sie auch die bekannten Eigenschaften von Buckyballs verwenden, um ein besseres Verständnis für die physikalischen und chemischen Prozesse im Raum zu gewinnen. Die Entdeckung könnte auch dabei helfen, Licht auf andere unerklärliche chemische Signaturen, die bereits im kosmischen Staub entdeckt wurden, zu werfen.

Auf der Erde gelang es vor 25 Jahren, diese an einen Fussball erinnernde Buckybälle in einem Labor herzustellen. Auch diese Entdeckung war damals zufällig, als die Wissenschaftler versuchten, die Bedingungen des Alterns in den Atmosphären kohlenstoffreicher Riesensterne zu simulieren, in denen Ketten aus Kohlenstoff festgestellt worden waren.

„Die Versuche waren dahin gehend angelegt, diese langen Kohlenstoffketten herzustellen und dann kam etwas Unerwartetes heraus – diese Art Fussball-Moleküle, die nur komisch aussahen.

Und nun stellt sich heraus, dass diese Voraussetzungen, die bewusst in einem Labor erstellt wurden, tatsächlich im Raum auftreten – wir haben einfach an der richtigen Stelle gesucht.“

sagte Professor Cami.

Die erste Veröffentlichung zu Fullerenen erfolgte bereits im Jahr 1970 von dem japanischen Chemiker Eiji Osawa, der ihre Existenz theoretisch vorhersagte und berechnete. Diese und folgende seiner Publikationen veröffentlichte er in japanischer Sprache, weswegen erst die 15 Jahre später am 14. November 1985 in der Zeitschrift Nature erschienene Publikation der Forscher Robert F. Curl jr. (USA), Sir Harold W. Kroto (England) und Richard E. Smalley (USA) weltweite Aufmerksamkeit erlangte. Diese erhielten dafür im Jahr 1996 den Nobelpreis für Chemie, während Osawa unberücksichtigt blieb.

Herstellung von Fullerenen

In einer Heliumatmosphäre unter 10 bar Druck wurde eine sich drehende Graphitscheibe von einem pulsierendem Laser bestrahlt. Das Laserlicht hatte in dem Versuch eine Wellenlänge von 532 nm und einen zeitlichen Abstand von 5 ns; es wurden dabei 30 bis 40 mJ Energie übertragen. Der Kohlenstoff des Graphits verband sich zu penta- und hexagonalen Ringstrukturen, die sich, nachdem sie von dem Helium aus dem Bestrahlungsraum hinausgetrieben worden waren, in einer Reaktionskammer unter anderem zu Fullerenen verbanden. Dieses Verfahren ist sehr ineffizient.
Deshalb wurde 1990 von Wolfgang Krätschmer und Donald Huffman das nachfolgende Verfahren entwickelt. Graphit wird unter reduziertem Druck in Schutzgasatmosphäre (Argon) mit einer Widerstandsheizung oder im Lichtbogen in einer Heliumatmosphäre verdampft. Der entstehende Russ enthält bis zu 15% Fullerene. Dieses Herstellungsverfahren ermöglichte erst die Forschung an Fullerenen im großen Massstab.
Möglich ist auch die Herstellung unter ausschliesslicher Verwendung rationaler Synthesen, wobei hier im letzten Schritt eine Flash-Vakuum-Pyrolyse erfolgt. Die Ausbeute bei diesem Verfahren liegt allerdings nur bei etwa einem Prozent, weshalb es deutlich teuer als die Herstellung im Lichtbogen ist.
Man kann auch eine speziell präparierte Russprobe mit Toluol im Soxhlet-Extraktor bei 110 °C extrahieren. Dabei entstehen Kohlenstoffcluster wie C2, C4 und C6, die bei Abkühlung wieder zu grösseren Einheiten zusammentreten. Dabei ist C60 die am häufigsten auftretende Form, daneben findet man auch C70 und höhere Fullerene. Im Russ, der nach Abkühlung zurückbleibt, werden die Fullerene, aber auch Kohlenstoff-Nanoröhren gefunden. Eine erste Abtrennung erfolgt mit Benzol, in dem sich Fullerene gut lösen, der restliche Russ jedoch schlecht. Durch Chromatographie (z. B. an Aktivkohle und/oder Kieselgel) können die Fullerene aufgetrennt werden.
Die Fullerene C60 und C70 kommen natürlich in Shungit und Fulgurit vor.

Sir Harry Kroto, der jetzt an der Florida State University in den USA lehrt, kommentierte die Entdeckung dieser Kullern im All:

„Dieser aufregendste Durchbruch liefert überzeugende Beweise dafür, dass die Buckyballs, wie ich lange vermutete, seit undenklichen Zeiten in den dunklen Tiefen unserer Galaxie existierten.

Es ist so schön, dass sie sich vor uns versteckten und es erst ein Experiment bedurfte, mit dem versucht wurde herauszufinden, was in den Sternen vorgeht, um sie zu finden.“

Diese Moleküle sind die dritte Form des Kohlenstoffs – die ersten beiden Typen werden als Graphit und Diamant bezeichnet. Als vierte Zustandsform des Kohlenstoffs sind die Kohlenstoffnanoröhren bekannt.

Kohlenstoff bildet die Grundlage der bekannten Organismen, die Entwicklung auf der Erde ist kohlenstoffbasiert – dieses wichtigste Element neben Wasser- und Sauerstoff für dieses Wunder, das man Leben nennt, wird noch nicht seine letzten Geheimnisse preisgegeben haben.

Sir Harry Kroto sagte fasziniert

„All der Kohlenstoff in Ihrem Körper kam aus Sternenstaub, und einmal war dieser Kohlenstoff auch in der Form der buckyballs dabei.“

Buchempfehlung:

Hoyle, Fred – Die schwarze Wolke

Fred Hoyle, der weltbekannte Astrophysiker und Verfasser bedeutender und vieldiskutierter Werke, legt mit diesem Buch seinen ersten Roman vor: eine an phantastischem Geschehen reiche, schockierende, aber höchst amüsante und geistvolle Lektüre.

Eine der zahllosen Gaswolken des Universums nähert sich unserem Sonnensystem. Wissenschaftler berechnen, dass sie in etwa einem Jahr zwischen Sonne und Erde schweben und dadurch auf unseren Planeten unvorstellbare klimatische Veränderungen hervorrufen wird, die vielleicht das Ende der Menschheit bedeutet. Chris Kingsley, ein genialer Mathematiker, und mehrere Experten aus anderen Ländern arbeiten an dem Geheimauftrag, das Verhalten der Gaswolke zu verfolgen und die drohende Gefahr abzuwenden.
Wie sich dann die Ereignisse dramatisch zuspitzen, als in der schwarzen Wolke eine superintelligente Kraft entdeckt wird, wie Kingsley eine Katastrophe verhütet …

Veröffentlicht: 1977 im Ullstein-Verlag

Quelle: http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-10730280