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Carbin: Die wahrhaftig eindimensionale Form des Kohlenstoffs

Forscher stellen einen ersten, direkten Nachweis von stabilen, ultralangen eindimensionalen Kohlenstoffketten vor und ebnen damit den Weg für die Massenproduktion von Carbin

Schematische Darstellung eingeschlossener ultralanger, linearer, sp-hybridisierter Kohlenstoffketten in verschiedenen doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhren Copyright: Lei Shi / Fakultät für Physik, Universität Wien

Elementarer Kohlenstoff erscheint in vielen verschiedenen Varianten, darunter Diamant, Fullerene und Graphen. Ihre einzigartigen strukturellen, elektronischen, mechanischen, optischen und Transport-Eigenschaften besitzen eine breite Palette von Anwendungen in der Physik, der Chemie und den Materialwissenschaften. Dazu gehören Verbundwerkstoffe, nanoskalige lichtemittierende Materialien sowie Materialien für „Energy Harvesting“, der Gewinnung elektrischer Energie aus der Umgebung. Innerhalb der „Kohlenstoff-Familie“ ist bisher einzig Carbin, die wahrhaftig eindimensionale Form des Kohlenstoffs, nicht erfolgreich synthetisiert worden, obwohl es seit nunmehr über 50 Jahren im Fokus wissenschaftlicher Studien steht. Seine extreme Instabilität unter Umgebungsbedingungen hat bisher einen endgültigen experimentellen Beweis seiner Existenz verhindert. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, eine neuartige Methode für die Massenproduktion von Kohlenstoffketten mit mehr als 6.400 Kohlenstoffatomen zu entwickeln, bei der dünne, doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren als Schutzumgebung für die Ketten dienen. Dieses Ergebnis wurde in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht und stellt einen eleganten Wegbereiter für das Ziel der Massenproduktion von Carbin dar. Neben den potentiellen Anwendungen ermöglichen diese Ergebnisse, grundlegende Fragen zu Elektronenkorrelationen, Elektron-Phonon-Wechselwirkungen und Quantenphasenübergängen in eindimensionalen Materialien zu beantworten.

Bereits in seiner elementaren Form führt die hohe Bindungsvielseitigkeit von Kohlenstoff zu einer Vielzahl wohlbekannter Erscheinungsformen wie Diamant und Graphit. Eine einzelne Graphitlage, genannt Graphen, lässt sich aufrollen oder falten, um Kohlenstoffnanoröhren oder Fullerene zu erhalten. Für grundlegende Arbeiten zu Graphen und Fullerenen wurden 2010 bzw. 1996 bereits Nobelpreise vergeben. Obwohl die Existenz von Carbin, einer unendlich langen Kette von Kohlenstoffatomen, schon 1885 von Adolf von Baeyer (Nobelpreis 1905 für seine Beiträge zur organischen Chemie) vorgeschlagen wurde, sind Wissenschaftler bisher nicht in der Lage gewesen, dieses Material künstlich herzustellen. Von Baeyer ging sogar davon aus, dass Carbin niemals nachweisbar sein würde, da seine hohe Reaktivität immer zu seiner sofortigen Zerstörung führen würde. Gleichwohl wurden in den vergangenen 50 Jahren erfolgreich Kohlenstoffketten von zunehmender Länge synthetisiert.

Der bisherige Rekord war eine Kette von etwa 100 Kohlenstoffatomen (2003). Mit der erstmaligen Demonstration von mikrometerlangen Ketten in der heute in Nature Materials erschienenen Studie wurde dieser Rekord jetzt um mehr als einen Faktor 50 übertroffen. Forscher der Universität Wien unter der Leitung von Thomas Pichler haben einen neuartigen, einfachen Ansatz entwickelt, um Kohlenstoffketten mit einer Rekordlänge von mehr als 6.400 Kohlenstoffatomen zu stabilisieren. Dazu verwenden sie den begrenzten Raum innerhalb einer doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhre als Nanoreaktor, um ultralange Kohlenstoffketten in Masse zu produzieren. In Zusammenarbeit mit den Gruppen von Kazu Suenagas am AIST in Japan, Lukas Novotny an der ETH Zürich und der Theoriegruppe von Angel Rubio am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg und an der UPV/EHU in San Sebastián wurde mithilfe einer Vielzahl ausgefeilter, sich gegenseitig ergänzender Methoden die Existenz der Ketten eindeutig nachgewiesen. Dazu gehören ...

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