Lange vermutetes „Wundermaterial der nächsten Generation“ erstmals produziert

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Wissenschaftlern der Universität Boulder ist es gelungen, Graphin zu synthetisieren

Seit mehr als einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler versucht, eine neue Form von Kohlenstoff namens Graphin zu synthetisieren – mit begrenztem Erfolg. Dank neuer, nun in Nature Synthesis veröffentlichter Forschungsergebnisse der University of Colorado Boulder ist das erstmals gelungen. Graphin ist für Wissenschaftler seit langem von Interesse, da es Ähnlichkeiten mit dem „Wundermaterial“ Graphen aufweist – einer anderen Form von Kohlenstoff, die von der Industrie sehr geschätzt wird und deren Erforschung 2010 sogar mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Doch trotz jahrzehntelanger Arbeit und Theorien wurden bisher nur wenige Fragmente hergestellt.

Graphin_v2 – chemische Strukturformel © User Innerstream – Own work, Public Domain, commons.wikimedia.org

Die Forschungserfolge füllen eine seit langem bestehende Lücke in der Wissenschaft von Kohlenstoffmaterialien und eröffnet möglicherweise ganz neue Möglichkeiten für die Elektronik-, Optik- und Halbleitermaterialforschung. „Das gesamte Publikum, das gesamte Forschungsumfeld, ist wirklich begeistert, dass dieses seit langem nur imaginäre Material endlich Wirklichkeit wird“, sagte Yiming Hu, Hauptautor der Arbeit.

Wissenschaftler sind seit langem an der Konstruktion neuer oder neuartiger sogenannter Kohlenstoff-Allotrope oder Formen von Kohlenstoff interessiert, da Kohlenstoff sowohl für die Industrie als auch für die Vielseitigkeit von Nutzen ist. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Kohlenstoff-Allotrope zu konstruieren, je nachdem, wie Hybride von Kohlenstoff, bezeichnet als sp2-, sp3- und sp-hybridisierter Kohlenstoff (oder die verschiedenen Möglichkeiten, wie sich Kohlenstoffatome an andere Elemente binden können), und ihre entsprechenden Bindungen genutzt werden. Die bekanntesten Kohlenstoff-Allotrope sind Graphit (das in Werkzeugen wie Bleistiften und Batterien verwendet wird) und künstliche Diamanten, die aus sp2-Kohlenstoff bzw. sp3-Kohlenstoff hergestellt werden.

Mit Hilfe traditioneller chemischer Methoden haben Wissenschaftler im Laufe der Jahre erfolgreich verschiedene Allotrope hergestellt, darunter Fulleren (für dessen Entdeckung 1996 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde) und Graphen. Diese Methoden erlauben es jedoch nicht, die verschiedenen Kohlenstoffarten gemeinsam in großer Menge zu synthetisieren, wie es für Graphin erforderlich ist, so dass das theoretische Material, dem einzigartige elektronenleitende, mechanische und optische Eigenschaften nachgesagt werden, genau das blieb: Theorie. Aber es war auch das Bedürfnis nach dem Unkonventionellem, das die Fachleute dazu veranlasste, sich an die Arbeitsgruppe von Wei Zhang zu wenden.

Zhang, Chemieprofessor an der Colorado University Boulder und Autor der Arbeit, beschäftigt sich mit der reversiblen Chemie, d. h. mit der Chemie, die es ermöglicht, dass sich Bindungen selbst korrigieren und so neuartige geordnete Strukturen oder Gitter entstehen, wie z. B. synthetische DNA-ähnliche Polymere. Zhang und seine Laborgruppe versuchte es. Die Schaffung von Graphin ist ein „wirklich altes, seit langem bestehendes Problem, aber da die synthetischen Werkzeuge begrenzt waren, ging das Interesse zurück“, so Hu, der als Doktorand in Zhangs Laborgruppe tätig war. „Wir haben das Problem wieder hervorgeholt und ein neues Werkzeug benutzt, um ein altes, wirklich wichtiges Problem zu lösen.“

Mithilfe eines Prozesses namens Alkin-Metathese – einer organischen Reaktion, bei der die chemischen Bindungen von Alkinen (eine Art Kohlenwasserstoff mit mindestens einer kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung) umverteilt oder durchtrennt und neu gebildet werden – sowie mit Hilfe der Thermodynamik und der kinetischen Kontrolle gelang es der Gruppe, etwas zu schaffen, das es zuvor noch nie gegeben hatte: Ein Material, das mit der Leitfähigkeit von Graphen konkurrieren kann, aber mit Kontrollmöglichkeiten. „Es gibt einen ziemlich großen Unterschied (zwischen Graphen und Graphine), aber auf eine gute Art und Weise“, sagte Zhang. „Dies könnte das Wundermaterial der nächsten Generation sein. Deshalb sind die Leute sehr angetan.“

Auch wenn das Material erfolgreich hergestellt wurde, will sich das Team noch mit den besonderen Details befassen, z. B. damit, wie man das Material in großem Maßstab herstellen und wie es manipuliert werden kann. „Wir hoffen, dass wir in Zukunft die Kosten senken und das Reaktionsverfahren vereinfachen können, und dann können die Menschen hoffentlich wirklich von unserer Forschung profitieren. Wir versuchen wirklich, dieses neuartige Material in mehreren Dimensionen zu erforschen, sowohl experimentell als auch theoretisch, von der atomaren Ebene bis hin zu echten Geräten“, so Zhang über die nächsten Schritte.

Diese Bemühungen sollten wiederum dazu beitragen, herauszufinden, wie die elektronenleitenden und optischen Eigenschaften des Materials für industrielle Anwendungen wie Lithium-Ionen-Batterien genutzt werden können. „Wir hoffen, dass wir in Zukunft die Kosten senken und das Reaktionsverfahren vereinfachen können, und dann können die Menschen hoffentlich wirklich von unserer Forschung profitieren“, so Hu. Zhang hätte ohne Unterstützung eines interdisziplinären Teams kaum Erfolg gehabt: „Ohne die Unterstützung der Physikabteilung, ohne die Unterstützung einiger Kollegen wäre diese Arbeit wahrscheinlich nicht möglich gewesen.“

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