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.
