Eine neue Form von Kohlenstoff

Kohlenstoff existiert in verschiedenen Formen. Neben Diamant und Graphit wurden kürzlich Formen mit erstaunlichen Eigenschaften entdeckt. Zum Beispiel ist Graphen mit einer Dicke von nur einer Atomschicht das dünnste bekannte Material, und seine ungewöhnlichen Eigenschaften machen es zu einem äußerst aufregenden Kandidaten für Anwendungen wie zukünftige Elektronik und High-Tech-Technik. In Graphen ist jedes Kohlenstoffatom mit drei Nachbarn verbunden und bildet Sechsecke, die in einem Wabennetzwerk angeordnet sind. Theoretische Studien haben gezeigt, dass sich Kohlenstoffatome auch in anderen flachen Netzwerkmustern anordnen können, während sie immer noch an drei Nachbarn binden. Bisher wurde jedoch keines dieser vorhergesagten Netzwerke realisiert.

Forscher der Universität Marburg in Deutschland und der Aalto-Universität in Finnland haben jetzt ein neues Kohlenstoffnetzwerk entdeckt, das wie Graphen atomar dünn ist, aber aus Quadraten, Sechsecken und Achtecken besteht, die ein geordnetes Gitter bilden. Sie bestätigten die einzigartige Struktur des Netzwerks mithilfe der hochauflösenden Rastersondenmikroskopie und stellten interessanterweise fest, dass sich seine elektronischen Eigenschaften stark von denen von Graphen unterscheiden.

Im Gegensatz zu Graphen und anderen Formen von Kohlenstoff hat das neue Biphenylennetzwerk – wie das neue Material genannt wird – metallische Eigenschaften. Schmale Streifen des Netzwerks, nur 21 Atome breit, verhalten sich bereits wie ein Metall, während Graphen ein Halbleiter dieser Größe ist. „Diese Streifen können als Führungsdrähte in zukünftigen elektronischen Geräten auf Kohlenstoffbasis verwendet werden.“ sagt Professor Michael Gottfried von der Universität Marburg, der das Team leitet, das die Idee entwickelt hat. Der Hauptautor der Studie, Qitang Fan aus Marburg, fährt fort: ‚Dieses neue Kohlenstoffnetzwerk kann auch als ausgezeichnetes Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien dienen und hat eine größere Speicherkapazität für Lithium als derzeitige Materialien auf Graphenbasis. ‚

Das Team der Aalto University half dabei, das Material abzubilden und seine Eigenschaften zu entschlüsseln. Die Gruppe von Professor Peter Liljeroth führte die hochauflösende Mikroskopie durch, die die Struktur des Materials zeigte, während Forscher unter der Leitung von Professor Adam Foster Computersimulationen und -analysen verwendeten, um die aufregenden elektrischen Eigenschaften des Materials zu verstehen.

Das neue Material wird hergestellt, indem kohlenstoffhaltige Moleküle auf einer extrem glatten goldenen Oberfläche zusammengesetzt werden. Diese Moleküle bilden zunächst Ketten, die aus verknüpften Sechsecken bestehen, und eine anschließende Reaktion verbindet diese Ketten miteinander, um die Quadrate und Achtecke zu bilden. Ein wichtiges Merkmal der Ketten ist, dass sie chiral sind, was bedeutet, dass sie in zwei Arten von Spiegeln existieren, wie links und rechts. Nur Ketten des gleichen Typs sammeln sich auf der Goldoberfläche und bilden geordnete Baugruppen, bevor sie verbunden werden. Dies ist entscheidend für die Bildung des neuen Kohlenstoffmaterials, da die Reaktion zwischen zwei verschiedenen Arten von Ketten nur zu Graphen führt. „Die neue Idee besteht darin, molekulare Vorläufer zu verwenden, die so angepasst sind, dass sie Biphenylen anstelle von Graphen ergeben“, erklärt Linghao Yan, der die hochauflösenden Mikroskopieexperimente an der Aalto University durchgeführt hat.

Derzeit arbeiten die Teams daran, größere Blätter des Materials herzustellen, damit das Anwendungspotential weiter erforscht werden kann. „Wir sind jedoch zuversichtlich, dass diese neue Synthesemethode zur Entdeckung anderer neuer Kohlenstoffnetzwerke führen wird.“ sagt Professor Liljeroth.

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Originalveröffentlichung: QT Fan, LH Yan, MW Tripp, O. Krejči, S. Dimosthenous, SR Kachel, MY Chen, AS Foster, U. Koert, P. Liljeroth, JM Gottfried, Biphenylennetzwerk: A Nonbenzenoid Carbon Allotrope, Wissenschaft 372 (2021).