Ein geliehenes Buch und goldene Kristalle: Alan MacDiarmids Weg zu leitfähigen Polymeren

Um das Jahr 1937 fuhr der zehnjährige Alan MacDiarmid mit seinem Fahrrad zur öffentlichen Bibliothek im neuseeländischen Lower Hutt. Im untersten Regal der Kinderabteilung entdeckte er ein Buch mit leuchtend blauem Einband und dem Titel „The Boy Chemist“. Wie MacDiarmid in seiner Biografie berichtete, lieh er den Band aus und verlängerte ihn über ein Jahr lang immer wieder, wobei er beinahe jedes darin beschriebene Experiment durchführte. Dieses eine Bibliotheksbuch weckte eine anhaltende Neugier auf chemische Reaktionen, die seine gesamte wissenschaftliche Laufbahn prägen sollte.

Barfuß in Lower Hutt

MacDiarmid wurde am 14. April 1927 im neuseeländischen Masterton geboren und wuchs während der Weltwirtschaftskrise auf. Sein Vater, ein Ingenieur, war in den frühen 1930er-Jahren vier Jahre lang arbeitslos, woraufhin die siebenköpfige Familie in die Nähe von Wellington nach Lower Hutt zog. Wegen der finanziellen Notlage wurden die Mahlzeiten zu Hause streng rationiert, und MacDiarmid ging wie viele Kinder vor Ort barfuß zur Grundschule. Um seine Familie zu unterstützen, lieferte er auf seinem Fahrrad Milch und Zeitungen aus, wodurch er schon früh eine durch Entbehrungen geprägte Selbstständigkeit entwickelte.

Der 16-jährige Hausmeister

Als sein Vater mit einer minimalen Rente in den Ruhestand ging, musste MacDiarmid die Hutt Valley High School um 1943 im Alter von 16 Jahren verlassen. Er sicherte sich eine schlecht bezahlte Stelle als Laborassistent und Hausmeister am Institut für Chemie des Victoria University College in Wellington. Damals betreute das Institut 1.200 Studierende mit einem Kollegium von lediglich zwei Professoren. Ab dem Alter von 17 Jahren finanziell unabhängig, belegte MacDiarmid Teilzeitkurse, während er Glasgeräte spülte und Böden fegte. Zu seinen Aufgaben gehörte auch die Vorbereitung von Vorlesungsexperimenten für den Dozenten A.D. „Bobbie“ Monro. Als Monro ihn damit beauftragte, Tetraschwefeltetranitrid herzustellen, synthesierte MacDiarmid leuchtend orangefarbene Kristalle. Die farbenfrohe Reaktion weckte sein Interesse an bunten chemischen Derivaten, was schließlich zu seiner Masterarbeit und 1949 zu seiner ersten wissenschaftlichen Publikation führte.

Goldene Kristalle in Philadelphia

Nachdem er seine Abschlüsse als Teilzeitstudent erlangt und Promovierungen in den USA sowie in England abgeschlossen hatte, trat MacDiarmid der Chemie-Fakultät der University of Pennsylvania bei, wo er 45 Jahre lang lehrte. In Philadelphia begann er die Zusammenarbeit mit dem Physiker Alan Heeger. Angeregt durch Forschungsarbeiten von Mort Labes an der Temple University griff MacDiarmid auf seine frühere Masterarbeit über Tetraschwefeltetranitrid zurück, um polymeres Schwefelnitrid herzustellen, das chemisch als (SN)x bezeichnet wird. MacDiarmid und Heeger stellten erfolgreich goldene, glänzende Polymerkristalle her, die Elektrizität wie ein metallischer Festkörper leiteten.

Eine Tasse Tee und ein millionenfacher Sprung

Im Jahr 1975 traf MacDiarmid während eines Aufenthalts am Tokyo Institute of Technology den Chemiker Hideki Shirakawa bei einer Tasse grünem Tee. MacDiarmid zeigte seine goldenen (SN)x-Kristalle, während Shirakawa eine Probe eines silbrigen Polyacetylenfilms, (CH)x, vorführte, der durch einen Fehler bei der Katalysatorkonzentration in seinem Labor entstanden war. MacDiarmid lud Shirakawa ein, sich seinem Team an der University of Pennsylvania anzuschließen. In Philadelphia versuchten die Forscher, den silbrigen Film zu reinigen, stellten jedoch fest, dass eine höhere Reinheit die elektrische Leitfähigkeit tatsächlich verringerte. In der Erkenntnis, dass eine hinzugefügte Chemikalie als Dotierungsmittel wirken könnte, setzten sie den silbrigen Polyacetylenfilm bei Raumtemperatur Bromdampf aus. Innerhalb weniger Minuten stieg die elektrische Leitfähigkeit um das Millionenfache an.

Dieser plötzliche Übergang erschuf das weltweit erste synthetische metallische Polymer und bewies, dass Kunststoffe Strom leiten können. Auf der Grundlage dieses Durchbruchs erhielten MacDiarmid, Heeger und Shirakawa im Jahr 2000 den Nobelpreis für Chemie. Die Entdeckung veränderte die Materialwissenschaft sowie die synthetische Chemie grundlegend und legte das Fundament für moderne Leuchtdioden, Solarzellen und flexible elektronische Displays.

KI-generierte redaktionelle Illustration; kein Dokumentarfoto.

Quelle: Nobel Prize Alan MacDiarmid