Durch die Entdeckung leitfähiger Kunststoffe haben die beiden US-Amerikaner Alan Heeger von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara und Alan MacDiarmid von der Universität von Pennsylvania und der Japaner Hideki Shirakawa von der Universität Tsukuba Anwendungen wie Leuchtdioden oder Anzeigendisplays in Mobiltelefonen möglich gemacht. Am 10. Oktober ehrte die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften die Forscher mit dem Chemie-Nobelpreis.
In der Elektrotechnik zeichnen sich Kunststoffe nicht gerade durch ihre Leitfähigkeit aus. Im Gegenteil: Sie gehören zu den zuverlässigsten Isolatoren. Die in vielen elektrischen Geräten üblichen Kupferdrähte werden durch ihre Kunststoffummantelung gegeneinander isoliert. Heeger, MacDiarmid und Shirakawa haben Ende der siebziger Jahre entdeckt, dass man Kunststoffe durch bestimmte Veränderungen leitfähig machen kann. Diese leitfähigen Kunststoffe haben Eigenschaften, für die man bis heute immer neue Anwendungen findet. Dazu gehören antistatische Mittel für photographische Filme, Strahlungsschutz an Computerbildschirmen und “intelligente” Fenster, die im Sommer das Sonnenlicht abschirmen können. Halbleitende Kunststoffe finden Anwendung in Leuchtdioden, Solarzellen oder den Anzeigendisplays in Mobiltelefonen.
Kunststoffe sind Polymere. Das sind lange Molekülketten, in denen identische Kettenglieder aneinandergereiht sind. Um elektrisch leitfähig zu werden, muss das Polymer eine Eigenschaft der Metalle imitieren. Damit ein Strom fließen kann, sind wie in Metallen frei bewegliche Elektronen notwendig, die nicht – wie in den meisten Stoffen – an Atome gebunden sind. Zwei Bedingungen müssen dazu erfüllt sein: Zum einen müssen sich in der Molekülkette Einfach- und Doppelbindungen abwechseln. Zum anderen muss die regelmäßige Polymerstruktur gestört werden. Das erreicht man durch “Verunreinigung” des Polymers mit einzelnen Atomen eines anderen Stoffes. Diese Fremdatome oxidieren das Polymer – nehmen ein Elektron weg- oder reduzieren es. Im ersten Fall bleibt ein “Elektronen-Loch” übrig, in das sich benachbarte Elektronen hineinbewegen können; im zweiten Fall hat man ein bewegliches Elektron gewonnen. Die Folge: In beiden Fällen können sich elektrische Ladungen bewegen – ein Strom fließt.
Einen leitenden Kunststoff zu produzieren gelang Heeger, MacDiarmid und Shirakawa erstmals mit Polyacetylen. Die Forscher bedampften den Kunststoff mit Jodgas: Die elektrische Leitfähigkeit war mehrere Millionen mal größer.
Den ersten Schritt zu dieser Entdeckung machte der Japaner Shirakawa Anfang der siebziger Jahre. Die Polyacetylen-Moleküle können räumlich auf zwei verschiedene Arten aneinandergereiht werden: Sie existieren als zwei verschiedene Isomere. Diese beiden Isomere haben unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften. Shirakawa hatte bei der Herstellung von Polyacetylen aus Versehen den für die Reaktion notwendigen Katalysator um das tausendfache überkonzentriert. Dabei entdeckte er, dass er durch Veränderung der Katalysatorkonzentration und der Reaktionstemperatur bestimmen kann, welches der beiden Polyacetylen-Isomere entsteht: Ein silbriger Film aus Trans-Polyacetylen oder ein kupferfarbiger Film aus Cis-Polyacetylen.
Im den USA experimentierten zur gleichen Zeit MacDiarmid und Heeger mit einem metallisch aussehenden Film aus dem anorganischen Polymer Schwefelnitrid. Bei einem Seminar in Tokio trafen sich MacDiarmid und Shirakawa während einer Kaffeepause. Als MacDiarmid von Shirakawas silbrigem Polymerfilm hörte, lud er ihn an die Universität von Pennsylvania ein, wo er damals mit Heeger arbeitete. Dort oxidierten die Forscher silbriges Trans-Polyacetylen mit Ioddampf. Einer von Heegers Studenten kam auf die Idee, die elektrische Leitfähigkeit des mit Jod verunreinigten Trans-Polyacetylens zu messen. Die Forscher waren überrascht: Durch die Verunreinigung hatte sich die Leitfähigkeit des Polymers um das zehnmillionenfache vergrößert.
Die leitenden Polymere werden bereits heute vielfältig eingesetzt. Viele lichtemittierende Dioden (LED’s) bestehen aus einem leitenden Polymer als Elektrode, einem Metallfilm, der die andere Elektrode bildet und einem halbleitenden Polymer dazwischen, das Licht emittiert, sobald eine Spannung angelegt wird. Man hofft, in ein paar Jahren Flachbildschirme aus LED-Filmen herstellen zu können. Da es relativ einfach ist, große dünne Kunststoffschichten herzustellen, könnten in naher Zukunft lichtemittierende Tapeten zur Grundeinrichtung jeder Wohnung gehören.
Ein Grund für das große kommerzielle Interesse an leitenden und halbleitenden Kunststoffen ist die schnelle und billige Herstellung. In elektronischen Geräten, bei denen es nicht so sehr auf die Geschwindigkeit ankommt, werden die elektronischen Bausteine schon bald aus Kunststoffen bestehen. Der nächste große Schritt könnte die Verkleinerung der Kunststoffschaltkreise auf Molekülgröße sein. Man hofft, die Schaltkreise um mehrere Größenordnungen kleiner machen zu können als es mit der auf Silizium basierenden Elektronik möglich ist. So ließen sich Computer bauen, die bedeutend kleiner und schneller sind als die “Silizium-Rechner” heute.
Axel Tillemans
