Graphen + Wasserstoff = Graphan

Graphen + Wasserstoff = Graphan  

Trotz der chemischen Inaktivität von dünnen Kohlenstoffschichten fanden Physiker einen Weg, um Wasserstoffatome in die regelmäßige Struktur einzubaue n

Manchester (Großbritannien) – Alkane, Alkene, Alkine: Ketten aus Kohlenstoffatomen gehen leicht zahlreiche Bindungen mit Wasserstoffatomen ein. Auch die Ringmoleküle organischer Verbindungen verknüpfen sich gerne mit einer Vielzahl von Seitengruppen. Diesen Drang zu chemischen Bindungen zeigen Grafit und einatomige Kohlenstoffschichten – Graphen – überhaupt nicht. Doch nun schaffte es ein Team aus britischen, russischen und niederländischen Physikern, Wasserstoffatome in die hoch symmetrischen Netzstrukturen von Graphen einzubauen. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, gelang ihnen so erstmals die Synthese von Graphan, einem Material mit vielen neuen Eigenschaften.  

"Obwohl Grafit als eines der chemische inertesten Materialien gilt, fanden wir einen Weg, einatomige Graphenschichten mit atomaren Wasserstoff reagieren zu lassen", berichten Konstantin Novoselov und seine Kollegen von der University of Manchester. Dazu nutzte die Arbeitsgruppe, unterstützt von russischen und niederländischen Forschern, ein Plasma aus einer Argon-Wasserstoff-Atmosphäre. In einem elektrischen Entladungsbogen trennten sich die Wasserstoffmoleküle zu einzelnen Ionen auf. Diese konnten die festen, kovalenten Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in der Graphenschicht aufbrechen und sich dauerhaft an die Maschendraht-förmige Struktur andocken.  

Die erfolgreiche Hydrogenierung von Graphen zu Graphan belegten die Wissenschaftler über  Strukturuntersuchungen mit einem Transmissionselektronenmikroskop. Ordneten sich die Kohlenstoffatome im Graphen noch zu einer flachen Ebene an, wurden sie nun durch die neuen Bindungen wechselweise nach oben und nach unten verschoben. Zudem standen die gebundenen Wasserstoffatome aus dieser Fläche heraus und beeinflussten maßgeblich die elektrische Leitfähigkeit des Materials. Denn in Graphen können sich Elektronen frei entlang der Kohlenstoffschicht bewegen. In Graphan dagegen müssen sie die Wasserstoffatome hüpfend überwinden. Diese verringerte Leitfähigkeit nimmt allerdings mit zunehmender Wärme wieder zu.  

Bereits vor zwei Jahren sagte Jorge Sofo von der Pennsylvania State University mit theoretischen Molekülberechnungen voraus, dass die Umwandlung von Graphen in Graphan möglich sein müsste. Eindrucksvoll konnten nun Novoselov und Kollegen diese Annahme experimentell bestätigen. Da der Einbau von Wasserstoffatomen sich prinzipiell exakt kontrollieren lässt, könnte Graphan zu einem interessanten Material für die Nanoelektronik werden. Denn hierfür benötigt man nicht nur hervorragende elektrische Leiter wie Graphen, sondern auch Werkstoffe mit möglichst einstellbaren  Energiebarrieren, die die Beweglichkeit der Elektronen beeinflussen. "Das extrem dünne Material mit einer Energiebarriere wird wahrscheinlich Nutzen für die Nanoelektronik nach sich ziehen", bestätigt Alex Savschenko in einem begleitenden Kommentar.  

Für eine breite Anwendung von Graphan gilt es nun, einfachere Synthesewege zu finden, die ohne ein Wasserstoffplasma auskommen. Parallel könnten die variablen Eigenschaften von Graphan mit unterschiedlichen Mengen von angedockten Wasserstoffatomen untersucht werden. Savchenko sieht aber nicht nur ein Potenzial für die Nanoelektronik.  Auch als sicherer Speicher für Wasserstoff – eingebaut in Brennstoffzellenautos – könnte sich Graphan eignen. Denn trotz seines geringen Eigengewichts kann es viel von dem energiereichen Gas binden und bei Temperaturen von etwa 400 Grad Celsius wieder abgeben.  

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• D.C. Elias et al., Control of Graphene's Properties by Reversible Hydrogenation. Science 323, 610 (2009)
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/323/5914/610 
• A. Savchenko, Transforming Graphene.  Science 323, 589 (2009)
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/summary/323/5914/589 
• Arbeitsgruppe Mesoskopie, University of Manchester:
  http://onnes.ph.man.ac.uk/nano/ 
• Institute for Microelectronics Technology in Chernogolovka:
  http://www.ipmt-hpm.ac.ru/index.en.html 
• Radboud University Nijmegen:
  http://www.ru.nl/ 
• Graphan-Theorie:
  http://jorgesofo.com/Graphane.aspx 
  

Weiterführende Literatur:  

• J. O. Sofo, A. Chaudhari und G. D. Barber, Graphane: a two-dimensional hydrocarbon. Phys. Rev. B 75, 153401_4 (2007) 
  http://arxiv.org/ftp/cond-mat/papers/0606/0606704.pdf

AL