20.05.2021 Reißverschluss ermöglicht ein „neues Graphen“

Deutsch-finnisches Team aus den Materialwissenschaften entwickelt neuartiges Designermaterial

In der rastersondenmikroskopischen Aufnahme (Mitte) zeigt das erzeugte Material eine Struktur, die sich mit dem vorhergesagten chemischen Aufbau deckt.

Ein chemischer Reißverschluss macht es möglich, Molekülfäden zu Kohlenstoffnetzen zusammenzuschweißen, die sich von dem verwandten Werkstoff Graphen deutlich unterscheiden. Das zeigt ein internationales Forschungsteam unter Marburger Leitung im Wissenschaftsmagazin „Science“. Die neue Methode eröffnet Möglichkeiten für weitere maßgeschneiderte Materialien, erwarten die Autorinnen und Autoren um den Chemiker Professor Dr. Michael Gottfried von der Philipps-Universität Marburg.

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. „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 der finnische Physiker Professor Dr. Peter Liljeroth, der zusammen mit Gottfried als Leitautor firmiert.

Die Gruppe erzeugte ein flaches zweidimensionales Netz, das aus vier-, sechs- und achteckigen Ringen besteht. „Die Ringe sind in diesem sogenannten 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 die Verknüpfung beginnt. „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.“

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 der Erstautor Dr. Qitang Fan aus Gottfrieds Arbeitsgruppe. „Unsere Reißverschlusstechnik ebnet den Weg, um neue Designermaterialien auf Kohlenstoffbasis zu entwickeln und ihre Eigenschaften zu erforschen“, schlussfolgern die Autorinnen und Autoren aus den Ergebnissen.

Professor Dr. Michael Gottfried lehrt Physikalische Chemie an der Philipps-Universität Marburg. Er gehört außerdem dem Marburger Sonderforschungsbereich 1083 der Deutschen Forschungsgemeinschaft an, der sich mit „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ befasst. Professor Dr. Peter Liljeroth leitet die „Atomic Scale Physics“-Gruppe an der Universität Aalto in Finnland. Darüber hinaus beteiligte sich der Marburger Chemie-Professor Dr. Ulrich Koert an der Forschungsarbeit. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, der Europäische Forschungsrat, die Alexander-von-Humboldt-Stiftung und weitere Förderorganisationen unterstützten die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler finanziell.

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