Frankfurt – Von einem nanotechnologischen Kunststück, das japanischen Wissenschaftern gelang, berichtet die Gesellschaft Deutscher Chemiker: Die Forscher vom Tokyo Institute of Technology und von der Okayama University of Science bauten den Ringplaneten Saturn im Nano-Maßstab danach. Versuche dieser Art gab es bereits, doch der Teufel steckt dabei im Detail.

Die Ausgangslage

Nano-Saturn-Systeme aus einem kugelförmigen Molekül und einem makrozyklischen Ring sind ein faszinierendes Strukturmotiv für Forscher. Der Ring sollte dabei eine starre zirkulare Form haben und in der Lage sein, die molekulare Kugel in seinem Inneren festzuhalten.

Fullerene sind ideale Kandidaten für die Nano-Kugel: Sie bestehen aus untereinander ringförmig vernetzten Kohlenstoffatomen, die eine Hohlkugel bilden. Das bekannteste Fulleren, C60, besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die so zu Fünf- und Sechsringen angeordnet.

Die Elektronen aus ihren Doppelbindungen, sogenannte π-Elektronen, liegen als eine Art Elektronenwolke frei beweglich vor und können bindende Wechselwirkungen zu anderen Molekülen eingehen – etwa einem Makrozyklus, der ebenfalls "Wolken" aus π-Elektronen hat. Aufgrund der anziehende Wechselwirkungen zwischen den Elektronenwolken kann sich ein Fulleren in den Hohlraum eines solchen Makrozyklus einlagern.

Das entscheidende Detail

In früheren Versuchen, einen Nano-Saturn herzustellen, ließen sich nur Ringe realisieren, die das Fulleren wie ein Gürtel oder ein Reifen umschließen. Das entspricht von der Form her aber nicht ganz dem Original, da der echte Saturn von einem sehr flachen scheibenförmigen Ringsystem umgeben ist.

Um das zu bewerkstelligen, wählten die Forscher um um Shinji Toyota eine andere Art der Bindung zwischen Planet und Ring als ihre Vorgänger. Sie setzten nicht auf die Anziehung zwischen den π-Elektronenwolken von Fulleren und Makrozyklus, sondern auf die schwache anziehende Wechselwirkung zwischen der π-Elektronenwolke des Fullerens und Elektronen der Kohlenstoff-Wasserstoff (C–H)-Gruppen des Makrozyklus, die keine π-Elektronen sind.

Für den Bau des Rings wählten sie Anthracen-Einheiten, Molekülen aus drei kantenverbundenen aromatischen Kohlenstoff-Sechsringen. Sechs dieser Einheiten verknüpften sie zu einem Makrozyklus – dessen Hohlraum dann perfekt in Größe und Form zu einem C60-Fulleren passte. Mithilfe von Röngtenuntersuchungen sowie Kernspinresonanzspektroskopie konnte das Team schließlich experimentell belegen, dass Saturn-förmige Komplexe entstanden waren. (red, 17. 6. 2018)