Welt der Naturwissenschaften
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27. Juli 2024

Der diesjährige Nobelpreis für Physik wurde für die Herstellung und die Isolierung eines Moleküls vergeben. Auf den ersten Blick mag das überraschen, denn Moleküle gehören in das Reich der Chemie. Betrachtet man die Entwicklung der Naturwissenschaften genauer, so ist seit der Mitte des 20. Jahrhunderts ein Zusammenwachsen der Disziplinen Biologie/Medizin, Chemie und Physik zu beobachten. Für die Herstellung oder Entschlüsselung von Molekülen wurden immerhin auch schon Medizinnobelpreise vergeben.

Zwei Russen, die an einer der englischen Eliteinstitute arbeiten, Andre Geim und Konstantin Novoselov, haben eine neues Kohlenstoffmolekül namens „Graphen“ (das Wort wird auf dem e betont) „erzeugt, isoliert, identifiziert und charakterisiert“, wie das Nobelpreiskomitee verlauten ließ.

Das Kohlenstoffatom ist, wie alle Schüler in Chemie lernen, ein vierwertiges Element, das sich leicht mit Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Elementen verbindet und äußerst komplizierte Moleküle aufbauen kann. Der Kohlenstoff (chemisches Zeichen C vom lateinischen „carbo“ = Kohle) ist daher das zentrale Element aller biochemischen Moleküle. Man findet ihn im Kohlendioxid, in allen Zuckern, in allen Alkoholen, in allen organischen Säuren, in allen Proteinen, in allen Nukleinsäuren, kurzum, in allen Biomolekülen.

Kohlenstoff als Element war bis in die Achtzigerjahre nur in zwei Erscheinungsformen bekannt, Graphit und Diamant. Beim Graphit ist jedes C-Atom in einer Ebene mit drei anderen C-Atomen verbunden. Zu den Ebenen darüber und darunter existieren nur lockere Bindungen, wodurch sich die Schichten leicht ablösen lassen. Das macht man sich beim Bleistift zunutze. Beim Diamant sitzt jedes C-Atom in einem Tetraeder (eine gleichseitige, dreikantige Pyramide) und ist fest mit vier anderen C-Atomen verbunden. Die Isolierung einzelner Schichten von Kohlenstoffatomen hielt man lange für unmöglich, bis Geim und Novoselov dieses Kunststück mit einem simplen Klebeband gelang. Sowohl die Physiker als auch die Chemiker waren be-geistert, weil diese dünne Schicht aus Atomen unerwartete Eigenschaften zeigte.

Graphen ist, obwohl unsichtbar dünn und somit durchsichtig, relativ fest und leitet wegen überzähliger Elektronen den elektrischen Strom besser als Kupfer. Elektroniker denken bereits an die Beschichtung von Bildschirmen und an eine neue Verwendung für Kohlenstoff, wie etwa neue Computerchips, in denen Kohlenstoff die Stelle des altbekannten Siliziums einnimmt. Wenn man Graphen aufrollt, entstehen so genannte Nanoröhren, als Kugeln bilden sie die „Fullerene“. Dafür gab es schon einmal einen Nobelpreis, und zwar 1996 in Chemie.

Berzelius

Helden der Wissenschaft:
Max Planck
(1858-1947) entdeckte den Quantensprung, das Allerkleinste, was die Natur an Energie zu bieten hat. In der Folge versuchte er mehrfach, seine eigene bahnbrechende Theorie zu widerlegen, was ihm nicht gelang.