Wissenschaftler entschlüsseln neue Arten von atomdünnen Kohlenstoffmaterialien

Kohlenstoff kommt in der Natur in verschiedenen Formen vor. Neben Graphit und Diamant wurden kürzlich einige Formen mit überraschenden Eigenschaften entdeckt.

Struktur des neuen Netzwerks. Der obere Teil zeigt schematisch, wie sich die Kohlenstoffatome als Quadrate, Sechsecke und Achtecke verbinden. Der untere Teil ist ein Bild des Netzwerks, das mit hochauflösender Mikroskopie aufgenommen wurde. Bildnachweis: Universität Marburg und Aalto University.

Graphen zum Beispiel mit einer Dicke von nur einer Atomschicht ist das dünnste Material und seine außergewöhnlichen Eigenschaften machen es zu einem sehr aufregenden Kandidaten für Anwendungen wie Hightech-Technik und zukünftige Elektronik.

Was Graphen betrifft, so ist jedes Kohlenstoffatom mit drei Nachbarn verbunden und entwickelt Sechsecke, die in einem Wabennetzwerk angeordnet sind.

Darüber hinaus haben theoretische Studien gezeigt, dass Kohlenstoffatome in anderen flachen Netzwerkmustern organisiert werden können, während sie noch mit drei Nachbarn verbunden sind. Bisher wurde jedoch keines dieser geschätzten Netzwerke erreicht.

An der Universität Marburg in Deutschland und Aalto Universität in FinnlandWissenschaftler haben nun ein neues Kohlenstoffnetzwerk gefunden, das atomar dünn wie Graphen ist, aber aus Quadraten, Sechsecken und Achtecken besteht, die ein geordnetes Gitter bilden.

Die Forscher überprüften die spezielle Struktur des Netzwerks mithilfe der hochauflösenden Rastersondenmikroskopie und stellten fest, dass sich seine elektronischen Eigenschaften vollständig von denen von Graphen unterscheiden.

Im Vergleich zu Graphen und anderen Kohlenstoffformen weist das neue Biphenylennetzwerk – wie das neue Material genannt wird – Metalleigenschaften auf. Die schmalen Streifen des Netzwerks mit einer Breite von nur 21 Atomen wirken bereits wie ein Metall, während Graphen ein Halbleiter dieser Größe ist.

Diese Streifen können als leitende Drähte in zukünftigen Elektronikgeräten auf Kohlenstoffbasis verwendet werden Geräte.

Michael Gottfried, Professor an der Universität Marburg

Gottfried leitet das Team, das das Konzept entwickelt hat.

Laut Qitang Fan, dem Hauptautor der Studie aus Marburg,Dieses neue Kohlenstoffnetzwerk kann auch als überlegenes Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien dienen und bietet im Vergleich zu aktuellen Materialien auf Graphenbasis eine größere Speicherkapazität für Lithium. ”

An der Aalto University half die Forschungsgruppe, das Material abzubilden und seine Eigenschaften zu entschlüsseln.

Das Team von Professor Peter Liljeroth führte die hochauflösende Mikroskopie durch, die die Struktur des Materials aufdeckt, während Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Adam Foster Computeranalysen und Simulationen verwenden, um die interessanten elektrischen Eigenschaften des Materials zu verstehen.

Das neue Material entsteht durch Zusammensetzen der kohlenstoffhaltigen Moleküle auf einer sehr glatten goldenen Oberfläche. Anfangs entwickeln diese Moleküle Ketten, die verknüpfte Sechsecke enthalten, und die nächste Reaktion verbindet diese Ketten miteinander, um die Achtecke und Quadrate zu bilden.

Ein wichtiges Merkmal der Ketten ist, dass sie chiral sind, was bedeutet, dass sie in zwei Spiegelformen erscheinen, wie links und rechts. Aber nur die gleichen Ketten sammeln sich auf der Oberfläche des Goldes und bilden so geordnete Baugruppen, bevor sie verbunden werden.

Dies ist für die Entwicklung des neuen Kohlenstoffmaterials von wesentlicher Bedeutung, da die Reaktion zwischen zwei verschiedenen Arten von Ketten nur zu Graphen führt.

Die neue Idee besteht darin, molekulare Vorläufer zu verwenden, die angepasst sind, um Biphenylen anstelle von Graphen zu ergeben.

Linghao Yan, Aalto Universität

Yan führte die hochauflösenden Mikroskopieexperimente an der Aalto University durch.

Derzeit arbeiten die Gruppen daran, größere Blätter des Materials zu erzeugen, damit dessen Anwendungspotential weiter untersucht werden kann.

Wir sind zuversichtlich, dass diese neue Synthesemethode zur Entdeckung anderer neuer Kohlenstoffnetzwerke führen wird.

Peter Liljeroth, Professor, Fachbereich Angewandte Physik, Aalto University

Zeitschriftenreferenz:

Fan, Q., et al. (2021) Biphenylennetzwerk: ein Nichtbenzoloid-Kohlenstoff-Allotrop. Wissenschaft. doi.org/10.1126/science.abg4509.

Quelle: https://www.aalto.fi/af

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