Reißverschluss-Verfahren ermöglicht neuartige Kohlenstoff-Struktur

Nanoröhrchen, Fulleren, Graphen – die Ära der maßgeschneiderten Werkstoffe aus Kohlenstoff hat längst begonnen. „In Graphen ist jedes Kohlenstoff­atom mit drei Nachbar­atomen verbunden, so dass ein ebenes Wabenmuster aus sechseckigen Ringen entsteht“, erklärt Michael Gottfried von der Uni Marburg. „Obwohl bereits zahlreiche andere Muster mit größeren oder kleineren Ringen vorgeschlagen worden sind, war bisher unklar, ob es solche Materialien gibt und wie sie hergestellt werden könnten.“ Welche Eigen­schaften weisen solche Materialien auf? „Die Eigenschaften können sehr unter­schiedlich sein, auch wenn es sich immer um Kohlenstoff handelt. Entscheidend ist die Verknüpfung der Atome“, ergänzt Peter Liljeroth von der Universität Aalto in Finnland.

Gottfried, Liljeroth und ihr internationales Team erzeugten ein flaches zweidimensionales Netz, das aus vier-, sechs- und achteckigen Ringen besteht. „Die Ringe sind in diesem Biphenylen-Netzwerk völlig regelmäßig angeordnet“, erläutert Gottfried. „Die besondere Struktur ist jedoch nicht schon in den Vorläufer­molekülen angelegt, aus denen das Netz aufgebaut wird; vielmehr bilden sich die vier- und achteckigen Ringe erst, während das Netz geknüpft wird.“

Hierzu entwickelte das Team eine neue Methode: Auf einer glatten Gold­ober­fläche werden Moleküle zunächst zu Ketten verknüpft, die sich der Länge nach nebeneinander aufreihen. Dann verbinden sich benachbarte Ketten wie die zwei Hälften eines Reiß­ver­schlusses, wobei sich Wasserstoff- und Fluor-Atome von den Ketten ablösen.

„Ein wichtiger Punkt dabei: Die Ketten liegen in zwei Varianten vor, die einander ähneln wie Bild und Spiegelbild, wie rechte und linke Hand“, so Gottfried. Ketten derselben Form lagern sich geordnet aneinander, bevor die Verknüpfung beginnt. „Das ist entscheidend, denn nur so entsteht die neuartige Kohlenstoff­struktur“, führt der Forscher weiter aus: „Reagieren dagegen zwei Ketten unter­schied­licher Händigkeit, so entsteht das schon bekannte Graphen.“

Anschließend untersuchte die Forschungs­gruppe mittels spektro­skopischer Verfahren, welche Eigen­schaften das Material aufweist. Dabei stieß sie auf einen fundamentalen Unterschied zum verwandten Graphen. „Die Charakteri­sierung ergab, dass sich bereits extrem schmale Streifen des neuen Materials wie ein Metall verhalten, was bei Graphen nicht der Fall ist. Diese Streifen könnten daher als Nanodrähte in künftigen elektronischen Schalt­kreisen aus Kohlenstoff eingesetzt werden“, erläutert Qitang Fan von der Uni Marburg. „Unsere Reiß­verschluss­technik ebnet den Weg, um neue Designer­materialien auf Kohlenstoff­basis zu entwickeln und ihre Eigen­schaften zu erforschen“, schluss­folgern das Team aus den Ergebnissen.

PUM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Q. Fan et al.: Biphenylene network: A nonbenzenoid carbon allotrope, Science 372, 852 (2021); DOI: 10.1126/science.abg4509
• AG Gottfried, Physikalische Chemie, Philipps-Universität Marburg
• Dept. of Applied Physics, Aalto University, Aalto, Finnland