Was ein Cluster mit einem Fußball gemeinsam hat

Das „Virtual Journal“ wird vom „American Institute of Physics“ und der „American Physical Society“ in Zusammenarbeit mit zahlreichen anderen wissenschaftlichen Gesellschaften und Verlagen herausgegeben und stellt eine Sammlung von „links“ zu Artikeln der Spitzenforschung in einem fokussierten wissenschaftlichen Bereich dar. Die ausgewählte Arbeit rund um die Clustergruppe von Prof. Tilmann Märk und Prof. Paul Scheier konzentriert sich auf Fragen der Bindungsenergien von Kohlenstoffclustern. Die Innsbrucker Cluster-Forschergruppe – sie ist auch Mitglied des interfakultären Zentrums CMBI, des westösterreichischen Nanonetzwerks wINN und der Forschungsinitiative „Advanced Materials“ – konnte im Frühjahr 2004 erstmals erfolgreich die Bindungsenergien von Kohlenstoffclustern der Größe C₄₀⁺ bis C₉₀⁺ bestimmen.

Neue Technologien ermöglichen neue Erkenntnisse
Möglich wurde die detaillierte Untersuchung der Bindungseigenschaften der so genannten Fullerene oder auch Buckyballs durch den Aufbau eines hochauflösenden Drei-Sektorfeld-Massenspektrometers. Dieses von der Herta Firnbergstipendiaten Dr. Sara Matt-Leubner entwickelte Gerät erlaubt es – im Gegensatz zu handelsüblichen Zwei-Sektor-Massenspektrometer – mit Hilfe der ersten beiden Sektorfelder ein spezielles Mutterion, z.B. ¹²C₆₆⁺, auszuwählen, um dann durch Variation der Spannung am dritten Sektorfeld alle aus diesem Ion durch Zerfall entstehenden Tochterionen, z.B. ¹²C₆₄⁺, in Bezug auf Masse, Ladung und kinetischer Energie zu analysieren. Die experimentell gewonnen Daten können in einem nächsten Schritt dazu verwendet werden, die Bindungsenergie des zerfallenden Teilchens zu bestimmen.

Nobelpreisforschung
Für die Entdeckung des bekanntesten Fullerens, C₆₀, erhielten die Amerikaner Robert Curl und Richard Smalley sowie der Brite Harold Kroto 1996 den Nobelpreis für Chemie. Die Besonderheit der Fullerene liegt in ihrer speziellen Topologie. Sie wurden nach dem Namen des Architekten Richard Buckminster Fuller benannt und stehen für jene Gruppe räumlich geschlossener Kohlenstoffcluster, von denen das C₆₀ – wegen seiner starken Ähnlichkeit mit einem Fußball auch "buckyball" genannt – das bekannteste ist. Ähnlich wie die freitragenden Kuppelkonstruktionen Fullers aus den 50er und 60er Jahren, bestehen die Fullerene aus einer Kombination von Fünfecken und Sechsecken. C₆₀ besitzt die größtmöglichste Symmetrie im dreidimensionalen Raum und ist zugleich auch das rundeste aller bekannten Moleküle. C₇₀ ist nach dem „buckyball“ das nächst größere hoch symmetrische Fulleren. Es besitzt fünf zusätzliche Kohlenstoff-Sechsecke und hat daher eher die Form eines Rugby-Eies. Allein die geringere räumliche Symmetrie dieses Moleküls sorgt dafür, dass es bis zu zehnmal seltener in einer Verdampfungsquelle gebildet wird.

Spitzenleistungen unserer IonenphysikerInnen
Da das Institut für Ionenphysik schon seit Mitte der 80er Jahre an der Fullerenforschung, u.a. in Zusammenarbeit mit Prof. Kroto, einem der Entdecker, beteiligt ist und zahlreiche Erkenntnisse zur Erforschung dieses interessanten Systems beigetragen hat, ist es nicht verwunderlich, dass auch die nahe liegende Frage nach der Bindungsstärke von C₆₀ hier in Innsbruck ausgiebig analysiert wurde. Nachdem es den Innsbrucker Ionenphysikern 2001 nach jahrelanger Forschung gelungen war, das lange offene Rätsel um die Bindungsenergie von C₆₀ zu lösen, war es nahe liegend über ein Experiment nachzudenken, das es ermöglicht auch die Bindungsenergien der größeren und kleineren Fullerene zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde ein bestehendes Zwei-Sektorfeld-Massenspektrometer zu einem Drei-Sektorfeld-Massenspektrometer umgebaut, da erstere den Nachteil haben, detaillierte Zerfallsmessungen durch eine Reihe von Artefakten zu verfälschen, die dadurch zu Stande kommen, dass das Element Kohlenstoff zwei stabile Isotope, ¹²C und ¹³C, besitzt.

Anwendungs- und leistungsorientierter Ansatz
Die Erkenntnis, dass Fullerene sehr stark gebunden sind, ist einerseits von grundlegender Bedeutung, es gibt wenige Moleküle die durch Energieübertragung eher ionisieren als dissoziieren. Andererseits findet diese hohe Stabilität auch in zahlreichen technischen Bereichen Anwendung. Zum Beispiel arbeiten Forscher von Siemens in Erlangen an neuartigen Photodetektoren aus organischem Material: In sehr dünnen Schichten, die sowohl Fullerene als auch Kunststoffe enthalten, setzen bei einfallendem Licht die Kunststoffanteile Elektronen frei, die dann sogleich von den Fullerenen eingefangen und an eine Elektrode abtransportiert werden. Solche Fulleren-Kunststoffschichten ermöglichen die Entwicklung großflächiger Detektoren für Röntgensysteme. Der Vorteil dieser organischen Photodetektoren ist zum einen der niedrige Preis, der bei 100 Euro im Vergleich zu ca. 1 Million Euro für Silizium-Detektoren liegt und zum anderen die hohe Lebensdauer aufgrund der Stabilität der Fullerene. Die Siemens-WissenschafterInnen arbeiten auch an organischen Solarzellen auf Fullerenbasis. Die Leistungseffizienz dieser Fulleren-Solarzellen könnte in naher Zukunft einen Wert von zehn Prozent erreichen. Obwohl die Effizienz der Fulleren-Solarzellen noch geringer ist als die der üblichen Silizium-Solarzellen, sind sie für den Markt sehr interessant, da die organischen Solarzellen nicht nur deutlich billiger sind, sondern zusätzlich noch den Vorteil haben, dass man sie auf biegsame und beliebig große Träger aufbringen kann. Es sind darüber hinaus zahlreiche weitere potenzielle Anwendungen im Gespräch, nicht nur in der Technik, sondern auch in der Medizin.