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Grafische Illustration der Kohlenstoffketten

Rekordlänge: Kohlenstoff als Perlenkette

Kohlenstoff war lange nur in vier Varianten bekannt. Seit relativ kurzer Zeit weiß man, dass es auch eine fünfte gibt: Bei ihr ordnen sich die Kohlenstoffatome wie auf einer Perlenkette an. Wiener Physiker haben nun solche Ketten mit der Rekordlänge von 6.000 Atomen hergestellt.

Chemie 04.04.2016

Die Existenz von eindimensionalen Kohlenstoffketten, Carbin genannt, hat schon der deutsche Chemiker und spätere Nobelpreisträger Adolf von Baeyer 1885 vorhergesagt. "Das Problem ist, dass diese extrem instabil sind und blitzartig mit allem reagieren. Deshalb gelten sie quasi als Heiliger Gral der verschiedenen Erscheinungsform des Kohlenstoffs", erklärt Thomas Pichler von der Arbeitsgruppe Elektronische Materialeigenschaften an der Physikfakultät der Universität Wien.

Sehr reaktionsfreudig

Wegen der großen Reaktionsfreudigkeit galt es lange als unsicher, ob Carbin überhaupt existiert. In den 1980er-Jahren glaubte man, den eindimensionalen Kohlenstoff in Meteoriten entdeckt zu haben, was aber kontroversiell diskutiert wird. Und alle Bemühungen, längere Kohlenstoffketten herzustellen, scheiterten wegen der hohen Reaktivität der Ketten. Der bisherige Rekord stammte aus 2003 und lag bei nur rund 100 Atomen.

Dabei haben theoretische Berechnungen überaus interessante Eigenschaften der Kohlenstoffketten gezeigt. So sollte Carbin etwa jedes andere Material an Festigkeit übertreffen und auch interessante elektronische Eigenschaften besitzen.

Die Studie

"Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne" von Thomas Pichler und Kollegen ist am 4.4. in "Nature Materials" erschienen (Preprint der Studie auf arXiv.org).

Grafische Darstellung von Carbin und seinem schützenden Mantel aus Nanoröhren

Lei Shi, Fakultät für Physik der Universität Wien

Grafische Darstellung von Carbin und seinem "Schutzmantel" aus Nanoröhren

Mit einer neuen Methode ist es Pichlers Doktoranden Lei Shi gelungen, Kohlenstoffketten mit einer bisher unerreichten Länge von mehr als 6.000 Atomen herzustellen. Ihre Länge liegt damit bereits im Mikrometerbereich. Quasi als Schutzmantel für die reaktionsfreudigen Ketten nutzen sie doppelwandige Kohlenstoff-Nanoröhren, um die Kette über die gesamte Länge zu stabilisieren.

Carbin steckt in Nanoröhren

Das Ausgangsmaterial für Carbin ist dabei "Schmutz", also überzähliger Kohlenstoff, der sich beim Wachstum der Nanoröhren dort angesammelt hat. Bei Temperaturen von knapp 1.500 Grad Celsius und im Hochvakuum ordnet sich dieser "Schmutz" in Form von Carbin entlang der Mittelachse der Röhren an. Die hohen Temperaturen sind auch der Grund, warum doppelwandige Nanoröhren verwendet werden, einwandige sind nicht so stabil.

In Kooperation mit Kollegen in Japan, Schweiz, Deutschland und Spanien haben die Wissenschaftler mit mehreren komplementären Methoden die Existenz der Kohlenstoffketten in dieser Länge nachgewiesen. Limitiert wird das Wachstum derzeit praktisch nur von der Länge der Nanoröhren, "prinzipiell sehe ich keine Grenze für das Längenwachstum", so Pichler.

Innerhalb der Nanoröhren ist Carbin sehr stabil, was essenziell für mögliche Anwendungen ist. Primäres Ziel der Forscher ist es aber, die Ketten von den Nanoröhren zu befreien. Nur so könnten sie die Eigenschaften von Carbin untersuchen. "Mit den aktuell von uns verwendeten Methoden werden die Ketten aber leider gekürzt, sobald wir sie befreit haben - aber wir versuchen das natürlich weiter", sagte Pichler.

science.ORF.at/APA

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