Wie man Fullerene herstellt

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Als die Fullerene entdeckt worden waren und darüber in den Medien berichtet wurde, brachte ein aufgeregter Organischer Chemiker seinen Mitarbeitern Ruß mit, den er aus seinem häuslichen Kachelofen gekratzt hatte. Sein Auftrag lautete - so wird glaubhaft berichtet: “Isolieren Sie mir daraus Fullerene!“. Der Mann irrte: Im üblichen Ofen-Ruß findet man keine Vertreter dieser Kohlenstoffmodifikation. Was dieser Ruß ist, beschreiben wir hier.

Fullerene sind ein Abfallprodukt der Chemie des Weltalls. Sie wurden zuerst erhalten, als man versuchte, lineare Kettenmoleküle (Polyethin) herzustellen. Entsprechende Polymere hatte man spektroskopisch im Staub des Weltraums nachweisen können.

Zur Gewinnung von Polyethin ging man aus praktischen Gründen jedoch nicht vom Ethin aus. Man dachte, dass man nur Kohlenstoff in einem strömenden Edelgas verdampfen müsse, damit er sich zu entsprechenden Ketten zusammenlagern könne. Deshalb verdampfte man Graphit in einem Elektroofen, der mit Helium oder Argon unter einem Druck von 100-200 mbar gefüllt war. Die Temperaturen lagen um 3000 K. Statt des erwarteten Polyethins erhielt man jedoch Fullerene.

Der Grund: Bei Erhitzen wird der Graphit nicht verdampft, sondern offenbar schichtweise abgeschält. Die größeren der frei herumfliegenden Schichtfetzen können sich dann zu den Hohlkörpern der Fullerene schließen, um ihre Bindungen intramolekular abzusättigen.

Insgesamt entsteht aber nur fullerenhaltiger Ruß, aus dem man das Fullerengemisch (Fullerit) noch isolieren muss. Das kann man durch Sublimation erreichen, oder man extrahiert den Ruß mit Chlorkohlenwasserstoffen oder mit Toluol (-> Versuch).

Die anschließende Feinauftrennung der Fullerenmischung erfolgt mit Hilfe von spezieller Aktivkohle (-> Versuch). Diese ist gezielt inaktiviert, damit das Fulleren nicht im Graphitsystem der Aktivkohle verschwindet, indem es als Kohlenstoffmodifikation schlicht wieder ins Graphitgitter eingebaut und so förmlich irreversibel verschluckt wird. Heute sind auch flüssigchromatographische Auftrennungen wie mit der präparativen HPLC normal.

Weitere Verfahren zur Fullerenherstellung gehen von Kohlenwasserstoffen aus, die katalytisch zersetzt (gecrackt) werden. Der dabei entstehende Ruß ist fullerenhaltig. Das Verfahren hat man wohl durch Zufall wiederentdeckt: Denn als man alte Massenspektrogramme von entsprechenden Experimenten hervorholte und noch einmal auswertete, stellte man fest, dass man schon vor Jahren einen schon damals erhaltenen deutlichen Peak bei 720 u, der zum C60 gehört, schlicht übersehen gehabt oder ihm schlicht keine Bedeutung beigemessen hatte.

Die Bildungsreaktionen der Fullerene kann man mittlerweile so fein steuern, dass ins Innere der Fullerene sogar Fremdatome wie die von Metallen eingebaut werden können (endohedrale Fullerene).

Nanotubes, also röhrenförmige Fullerene („Buckytubes“), werden ebenfalls unter katalytischer Einwirkung von Metallen gewonnen. Man kann aber auch mit Lasern Graphitschichten abtragen. Diese „Kohlenstoffmatten“ rollen sich anschließend zu Nanoröhren auf. Auf diese Weise gelingt es auch, mehrere Röhren ineinander zu legen.


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Letzte Überarbeitung: 16. November 2011, Dagmar Wiechoczek