Wie Menschen die ewigen Chemikalien gemacht haben

Das geheimnisvolle Material

Am 6. April 1938 passiert etwas Seltsames im Jackson-Labor in New Jersey. Das Labor gehört zur Chemie-Firma DuPont. Eine Gruppe von Forschern öffnet das Ventil eines Metall-Zylinders. In dem Zylinder ist das Gas Tetrafluorethylen, kurz TFE. Aber es kommt kein Gas heraus. Der Zylinder ist leer, aber er ist schwerer als vorher. Die Forscher sind verwirrt.

Sie sind neugierig und sägen den Zylinder in zwei Teile. Drinnen finden sie ein weißes Pulver. Das Pulver ist sehr glatt und rutschig. Es liegt an der Innenwand des Zylinders.

Roy Plunkett ist Chemiker bei DuPont. Er macht weitere Experimente. Er findet heraus: Das geheimnisvolle Material ist ein Produkt von TFE. Das Gas hat sich selbst zu einem Polymer verbunden. Das nennt man Selbst-Polymerisation. Damals ist das sehr ungewöhnlich. Die Polymer-Chemie versteht das noch nicht. Normalerweise braucht man für diesen Prozess einen Katalysator. Man muss auch Temperatur und Druck sehr genau kontrollieren. Hier passiert es von allein.

Das neue Material verändert sich nicht. Es bleibt stabil unter allen Bedingungen. Hohe Temperatur zerstört es nicht. Es reagiert auch nicht mit anderen Chemikalien. Es löst sich nicht auf, auch nicht in sehr aggressiven und ätzenden Chemikalien. Der technische Name für dieses Super-Material ist schwer zu lesen: Polytetrafluorethylen, kurz PTFE. Aber viele Menschen kennen einen anderen Namen: Teflon.

Die Wissenschaftler von DuPont Roy Plunkett (rechts), Robert McHarness (Mitte) und Jack Rebok zeigen noch einmal, wie sie den Metall-Zylinder aufsägen und Teflon entdecken. Foto aus dem Jahr 1966, Hagley Bibliothek.

Erst viel später verstehen die Menschen, warum das passiert ist. Der Druck in der Stahl-Flasche ist sehr hoch. Die Innenwand aus Eisen wirkt wie ein zufälliger Katalysator. Oder sehr kleine Mengen von Peroxid-Radikalen haben die Reaktion gestartet. So wird das Gas TFE zu festem PTFE.

Das Geheimnis liegt in der Verbindung zwischen Kohlenstoff und Fluor. Teflon ist so stark antihaftbeschichtet, weil die C-F-Verbindung sehr stark ist. Die Bindungs-Energie liegt bei etwa 410 bis 531,5 kJ/mol. Das ist eine der stärksten einfachen kovalenten Bindungen in der organischen Chemie. Die Molekül-Struktur von PTFE sieht so aus: Fluor-Atome liegen um das Kohlenstoff-Gerüst herum. Sie bilden eine sehr starke elektrostatische Barriere. Diese Barriere stoppt fast alle schwachen Kräfte zwischen Molekülen an der Oberfläche. Deshalb ist PTFE extrem wasserabweisend (hydrophob) und auch fettabweisend (lipophob). Es ist chemisch träge und hat einen sehr niedrigen Reibungs-Koeffizienten an der Oberfläche. Kurz gesagt: Es klebt an nichts.

Die Polymer-Struktur von Teflon.

Seit dieser Entdeckung haben sich Teflon und seine "Kinder" auf der ganzen Welt verbreitet. Die "Kinder" nennt man per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, kurz PFAS. Wir benutzen sie für viele Produkte. Wir machen daraus Antihaft-Pfannen. Wir machen Regenjacken wasserdicht. Wir machen Papier für Lebensmittel fettabweisend, damit kein Öl durch das Papier kommt. Wir benutzen sie sogar für Klaviertasten, damit sie nicht quietschen. Diese Moleküle sind so häufig, dass eine Studie aus dem Jahr 2015 sie im Blut von 97 % der Amerikaner gefunden hat. Medizin-Forscher finden heraus, dass diese Chemikalien sehr lange in der Umwelt und im Körper bleiben. Sie können dem Körper ernsthaft schaden.

Aber am Anfang denken die Forscher: Dieses Material hat keine Zukunft. Es ist zu teuer in der Produktion und hat keinen klaren Nutzen. Alles ändert sich erst, als das Material wichtig für das Rennen um den Bau der Atombombe wird.

Zwei Wege auf der Suche nach dem perfekten Kühlmittel

Die Geschichte von Teflon beginnt mit der Suche nach dem perfekten Kühlmittel. Aber diese Suche führt nicht nur zu Teflon. Sie öffnet zwei wichtige Wege in der Fluor-Chemie. Ein Weg führt zu CFC - Freon, das gefährlich für die Ozonschicht ist. Der andere Weg führt zu Teflon und zu den "ewigen Chemikalien".

Etwa zehn Jahre bevor Teflon erfunden wird, also Ende der 1920er Jahre, hat die Kühl-Industrie große Probleme. Es gibt viele tödliche Unfälle mit gefährlichen Gasen, die man als Kühlmittel benutzt. Diese Chemikalien sind sehr giftig, leicht entflammbar oder beides. Das ist sehr gefährlich. Ein Leck von Methylchlorid in einem Wohnhaus in Chicago tötet Dutzende Menschen. Das löst große Panik aus. Die ganze Industrie für Haushaltsgeräte hat Angst vor einem permanenten Verbot durch die Politik. CO2 ist sicherer, aber es braucht viel höheren Druck, um zu funktionieren. Das macht die Produktion viel teurer und erhöht das Risiko für ein Gasleck.

Die Hersteller von Kühlschränken wissen: Wir müssen etwas ändern. Die Firma General Motors gibt Thomas Midgley einen Auftrag. Midgley hat früher schon eine Lösung gefunden, um Blei zu Benzin hinzuzufügen, damit der Motor nicht klopft. Jetzt soll er das perfekte Kühlmittel finden. Das Kühlmittel soll bei normaler Temperatur und normalem Druck gut funktionieren. Es soll billig in der Produktion sein. Es soll normale Materialien nicht angreifen. Es soll nicht giftig und nicht entflammbar sein. Midgley schaut sich die Gruppe der Halogene im Periodensystem an. Besonders interessiert er sich für Fluor. Fluor ist bekannt dafür, dass es sehr starke und stabile Verbindungen machen kann.

Allein ist Fluor aber eine unmögliche und verrückte Wahl. Die Säure-Form von Fluor, HF, ist sehr giftig und sehr gefährlich. Sie verbindet sich stark mit Kalzium-Ionen im Blut. Das kann dazu führen, dass das Herz plötzlich stehen bleibt. Aber wenn sich Fluor mit einem Kohlenstoff-Atom verbindet und eine organische Verbindung bildet, dann ändert sich alles. Dann wird die Verbindung stabil und chemisch träge. Chemiker denken damals: Chemisch träge bedeutet auch wenig giftig.

Midgley findet einen möglichen Kandidaten. Dieser Kandidat wird bis in die 1980er Jahre viel benutzt: eine Form von Chlorfluorkohlenwasserstoff, kurz CFC. Heute kennen wir dieses Gas als Freon. Wenn man an den Abbau der Ozonschicht durch CFC denkt und auch an die anderen Probleme, dann sieht man: Die Suche nach dem perfekten Kühlmittel hat zwei große Folgen für die Welt gehabt.