Chemienobelpreis 2000: Alan MacDiarmid — Alan Heeger — Hideki Shirakawa

Chemienobelpreis 2000: Alan MacDiarmid — Alan Heeger — Hideki Shirakawa

 

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Die amerikanischen Wissenschaftler Heeger und MacDiarmid und der Japaner Shirakawa erhielten den Nobelpreis »für die Entdeckung und die Entwicklung von leitenden Polymeren«.

 

 Biografien

 

Alan G. MacDiarmid, * Masterton (Neuseeland) 14. 4. 1927; seit 1955 Professor für Chemie an der University of Pennsylvania. Arbeiten über leitende Kunststoffe.

 

Alan C. Heeger, * Sioux City (Iowa) 22. 1. 1936; 1961 Promotion an der University of California in Berkeley, ab 1967 Professor für Physik an der University of Pennsylvania, ab 1982 Leiter des Instituts für Polymere und organische Feststoffe an der University of California in Santa Barbara, Arbeiten über leitende Kunststoffe, 1990 Gründung der Firma Uniax zur Vermarktung von leitenden Kunststoffen.

 

Hideki Shirakawa, * Tokio (Japan) 1936; ab 1966 Lehrtätigkeit am Institut für Materialwissenschaft der Universität von Tsukuba (Japan), dort ab 1982 ordentlicher Professor, Arbeiten über leitende Kunststoffe.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Wer einmal mit elektrischem Strom gearbeitet hat, den lehrt der Plastikmantel um die Kupferdrähte des Kabels: Kunststoffe können den für die Gesundheit gefährlichen Strom hervorragend abschirmen. Die Amerikaner Alan Heeger und Alan MacDiarmid glaubten daher ihren Augen nicht zu trauen, als sie jeweils nach misslungenen Experimenten einen silbrig schimmernden Film auf dem Labortisch fanden, der so gar nicht nach Kunststoff aussah, sondern eher einem stromleitenden Metall ähnelte. Erst als MacDiarmid dem Japaner Hideki Shirakawa während eines Kongresses von diesem seltsamen Fund berichtete, wurden die Forscher hellhörig. Hideki Shirakawa hatte genau das gleiche Ergebnis nach einem misslungenen Experiment erhalten. Eine fruchtbare Kooperation begann, die mit dem Nobelpreis für Chemie des Jahres 2000 gekrönt wurde.

 

 Vom Fehlexperiment zur Forschungsarbeit

 

Hideki Shirakawa hatte 1974 ein einfaches Experiment gemacht: Er hatte Acetylen mithilfe eines so genannten Ziegler-Natta-Katalysators zum Kunststoff Polyacetylen verbinden wollen. Statt des normalerweise bei solchen Versuchen entstehenden schwarzen Pulvers hatte er den silbrigen Film erhalten.

 

Chemiker wissen, dass die silbrige Farbe des Metalls von relativ leicht beweglichen Elektronen herrührt, die ihrerseits oft dafür verantwortlich sind, dass Metalle elektrischen Strom im Normalfall gut leiten. Entgegen allen Erwartungen aber fließt kein Strom durch den silbrigen Film, obwohl er einem Metall auf den ersten Blick ähnelt. Shirakawa, Heeger und MacDiarmid wussten jetzt, dass sich solche Ergebnisse wiederholen ließen, und begannen zu forschen.

 

Als sie 1977 den silbrigen Film mithilfe der Halogene Chlor, Brom oder Jod zur Oxidation brachten, kamen sie zu dem gewünschten Ergebnis. Der so entstandene Film leitet den elektrischen Strom eine Milliarde Mal besser als die ursprünglich erhaltene Silberschicht. Das reicht schon beinahe an die Qualitäten von Silber und Kupfer heran, die Elektrizität »nur« tausendmal besser leiten.

 

Naturwissenschaftler wollen nicht nur wissen, ob etwas funktioniert, sie interessieren sich vor allem dafür, weshalb etwas funktioniert. Bei den leitenden Kunststoffen fiel die Erklärung relativ leicht, denn es handelte sich jeweils um Polymere mit konjugierten Doppelbindungen. So nennen Chemiker lange Ketten von Kohlenstoffatomen, bei denen jedes Atom mit dem nächsten durch eine so genannte sigma-Bindung verknüpft ist, die von zwei Elektronen hergestellt wird. Jede zweite Bindung wird allerdings durch ein weiteres Elektronenpaar verstärkt, das eine so genannte pi-Bindung bildet. Diese ist allerdings erheblich schwächer als die sigma-Bindung.

 

Zumindest auf dem Papier sieht das so aus. In der Realität dagegen ist diese pi-Bindung nicht auf die beiden Kohlenstoffatome fixiert, zwischen die sie normalerweise eingezeichnet wird. Vielmehr wechseln die Elektronen auch zum nächsten Kohlenstoffatom, das der Theorie entsprechend keine pi-Bindung haben sollte. Diese so genannten pi-Elektronen sind demnach erheblich beweglicher als die sigma-Elektronen. Bewegliche Elektronen aber ermöglichen es, elektrischen Strom zu leiten.

 

Auch wenn sich in einem Kunststoff viele hundert pi-Bindungen aneinander reihen, die jeweils durch eine einfache sigma-Bindung voneinander getrennt werden, sind diese pi-Elektronen noch nicht leicht genug beweglich, um elektrischen Strom zu leiten. Nur wenn man zusätzliche Elektronen einführt oder positive Ladungen der Substanz zuführt, beginnt der Kunststoff Strom zu leiten. Löcher nennt man diese positiven Ladungen, an denen genau genommen nur ein Elektron fehlt. Genau solche Löcher hatten die Forscher geschaffen, als sie mithilfe von Halogenen den Kunststoff zur Oxidation brachten.

 

Benachbarte, leicht bewegliche Elektronen können in diese Löcher springen und hinterlassen dabei ihrerseits ein Loch positiver Ladung, in das weitere Elektronen springen können. Letztlich wandern die Elektronen relativ frei durch die Substanz. Genau diese Wanderung von Elektronen aber ist es, die Wissenschaftler makroskopisch als Leitung von elektrischem Strom bezeichnen.

 

 Neue Erkenntnisse und Anwendungsmöglichkeiten

 

Die Chemiker setzten ihre Untersuchungen über diese Kunststoffe fort. Mithilfe ihres Spürsinns und vieler theoretischer Überlegungen kamen sie im Lauf der Jahre zu erstaunlichen Ergebnissen. So hängt die Leitfähigkeit der Kunststoffe mit konjugierten Doppelbindungen sehr stark davon ab, wie die jeweiligen pi-Bindungen im Raum zueinander stehen. Auch die Art des Dopings, wie Wissenschaftler das Schaffen von Löchern und das Einbringen zusätzlicher Elektronen nennen, beeinflusst die Leitfähigkeit sehr stark, die hinterher gemessen wird. So steigert ein Dopen mit Arsenhexafluorid die Leitfähigkeit von cis-Polyacetylen auf das Hundertmilliardenfache. Silber oder Kupfer leitet den elektrischen Strom nur zehnmal besser als solch eine Substanz.

 

Als Shirakawa, Heeger und MacDiarmid ihren Nobelpreis entgegennahmen, gab es bereits erste praktische Anwendungen der silbrigen Polymere, die sie ein Vierteljahrhundert vorher entdeckt hatten. Leitende Kunststoffe werden als antistatische Kunststoffe eingesetzt und schützen über den Bildschirmen von Computermonitoren den Benutzer vor elektromagnetischer Strahlung. Im Display von Handys und Mini-Bildschirmen finden sich die leitenden Kunststoffe ebenfalls. Womit die archäologische Leitsubstanz des 20. Jahrhunderts, wie manche Kabarettisten und Umweltschützer Plastik bisweilen nennen, den Sprung ins 21. Jahrhundert mühelos geschafft hat.

 

R. Knauer, K. Viering