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Ganz anders als Graphen

Neue Form des 2D-Kohlenstoffs gefunden

28. Mai 2021, 11:57 Uhr   |  Ralf Higgelke

Neue Form des 2D-Kohlenstoffs gefunden
© Universität Marburg, Aalto University

Biphenylen ähnelt Graphen, hat aber völlig andere elektrische Eigenschaften.

Nanoröhrchen, Fullerene, Graphen – die Ära der maßgeschneiderten Werkstoffe aus Kohlenstoff hat längst begonnen. Nun haben Forschende aus Deutschland und Finnland ein neuartiges, atomar dünnes Kohlenstoffmaterial entwickelt, das ganz andere elektrische Eigenschaften hat als Graphen.

Kohlenstoff existiert in verschiedenen Modifikationen. Neben Diamant und Graphit gibt es auch neu entdeckte Formen mit erstaunlichen Eigenschaften. Graphen zum Beispiel ist mit einer Dicke von nur einer Atomlage das dünnste bekannte Material, und seine ungewöhnlichen Eigenschaften machen es zu einem äußerst spannenden Kandidaten für Anwendungen wie zukünftige Elektronik und Hightech-Technik.

In Graphen ist jedes Kohlenstoffatom mit drei Nachbarn verbunden und bildet Sechsecke, die in einem wabenförmigen Netzwerk angeordnet sind. Theoretische Studien haben gezeigt, dass sich Kohlenstoffatome auch in anderen flachen Netzwerkmustern anordnen können, während sie immer noch an drei Nachbarn gebunden sind, aber keines dieser vorhergesagten Netzwerke wurde bisher realisiert.

Forschende der Philipps-Universität Marburg und der Aalto University in Finnland haben nun ein neues Kohlenstoff-Netzwerk namens Biphenylen entdeckt, das atomar dünn ist wie Graphen, sich aber aus Quadraten, Sechsecken und Achtecken zusammensetzt, die ein geordnetes Gitter bilden. Sie bestätigten die einzigartige Struktur des Netzwerks mit hochauflösender Rastersondenmikroskopie und stellten fest, dass seine elektronischen Eigenschaften ganz anders sind als die von Graphen.

Biphenylen besitzt metallische Eigenschaften

Im Gegensatz zu Graphen und anderen Formen von Kohlenstoff hat das neue Biphenylen-Netzwerk metallische Eigenschaften. Schmale Streifen des Netzwerks, die nur 21 Atome breit sind, verhalten sich bereits wie ein Metall, während Graphen bei gleicher Größe ein Halbleiter ist. »Diese Streifen könnten als Nanodrähte in künftigen elektronischen Schaltkreisen aus Kohlenstoff eingesetzt werden«, meint Professor Michael Gottfried von der Universität Marburg, der das Team leitet, das die Idee entwickelt hat.

Der Hauptautor der Studie, Qitang Fan aus Marburg, fährt fort: »Dieses neuartige Kohlenstoff-Netzwerk könnte auch als überlegenes Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien dienen, das eine größere Speicherkapazität für Lithium hat als die derzeitigen Materialien auf Basis von Graphen.«

Synthese von Bephenylen

»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«, legt Gottfried dar. Ketten derselben Form lagern sich geordnet aneinander, bevor sie sich verknüpfen. »Dies ist entscheidend, denn nur so entsteht die neuartige Kohlenstoffstruktur«, führt der Chemiker weiter aus: »Reagieren dagegen zwei Ketten unterschiedlicher Händigkeit, so entsteht das schon bekannte Graphen.«

Diese Reißverschlusstechnik könnte den Weg ebnen, um neue Designermaterialien auf Kohlenstoffbasis zu entwickeln und ihre Eigenschaften zu erforschen, so die Autorinnen und Autoren aus den Ergebnissen.

Originalveröffentlichung

Qitang Fan, Linghao Yan & al.: Biphenylene network: A nonbenzenoid carbon allotrope, Science 2021, DOI: 10.1126/science.abg4509

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