Neue Variante des Kohlenstoffs: Schläuche statt Kugeln

Kohlenstoff ist ohne Frage eines der vielseitigsten Elemente des Periodensystems. Die Reaktionen von Kohlenstoff mit anderen Elementen sind die Grundlage der organischen Chemie, und Kohlenstoff selber hat zahlreiche Strukturvarianten. Die Allotrope des Elements reichen von Graphit und Graphen über Diamanten hin zu sogenannten Fullerenen. Bei letzten handelt es sich um Hohlkugeln aus 60 Kohlenstoffatmen. Forscher:innen gelang es nun, aus diesen Fullerenen eine neue Variante des Kohlenstoffs zu erzeugen, die bei Kälte leitfähig ist und neue Anwendungen ermöglichen könnte.

Neue Kohlenstoffstruktur

Fullerene werden umgangssprachlich auch als „Buckyballs“ bezeichnet. Jedes Kohlenstoffatom in diesen Buckyballs ist mit drei anderen verbunden. Rechnerisch bildet der Kohlenstoff dabei zwei einfache sowie eine Doppelbindung, allerdings sind die Elektronen der Doppelbindung in der Praxis nicht an einer Stelle lokalisiert, sondern wie auch im Benzolring delokalisiert.

Einen Team Chemiker:innen rund um Fei Pan von der Universität von Hefei gelang es nun, eine neue Kohlenstoffstruktur zu erstellen. Dafür mischten sie Fulleren-Pulver mit Alpha-Lithiumnitrid (α-Li3N), welches den Transfer von Elektronen und damit die Umlagerung von Bindungen fördern kann. Sie stellten mehrere Mischungen mit verschiedenen Anteilen des Katalysators her und erwärmten diese auf Temperaturen von 600 Grad.

Schlauchförmige Struktur aus aufgebrochenen Fullerenen

Solange die Temperaturen unter 480 Grad lagen, blieben die Fullerene intakt. Allerdings können sie verklumpen und eine Art Polymerkristall bilden. Wenn 600 Grad erreicht sind, zerfallen die Kohlenstoffkugeln komplett. Im Temperaturbereich dazwischen entsteht allerdings etwas komplett Neues. Als sie eine 5:1-Mischung von Fullerenen und Alpha-Lithiumnitrid auf eine Temperatur von 550 Grad erhitzten, beobachteten sie, dass die Kugelmoleküle nur teilweise aufbrechen und dabei untereinander neue Bindungen bilden.

Die dabei entstehende neuartige Struktur besteht aus einer Art Schlauch aus den aufgebrochenen Fullerenen. Diese sind mit ihren Nachbarn über mehrere Bindungen verknüpft, die einen Hohlraum umschließen. Gleichzeitig ist jede Fullerenkugel auf die gleiche Art und Weise aufgebrochen.

Praktische Anwendungsmöglichkeiten

„Diese Kohlenstoff-Form ist völlig anders und einzigartig„, Koautor Rodney Ruoff vom Institut für Grundlagenforschung in Südkorea. Die Forscher:innen tauften die neue Kohlenstoff-Modifikation auf den Namen „Long-range ordered porous Carbon“ (LOPC). Durch Messungen fanden die Forscher:innen heraus, dass der LOPC-Kohlenstoff bei Raumtemperatur lediglich eine geringe Leitfähigkeit besitzt. Wenn das Material auf etwa 30 Kelvin (-243 Grad Celsius) herunter gekühlt wird, entsteht ein Stromleiter mit metallähnlichem Elektronentransport. Die Eigenschaften des Materials eröffnen die Möglichkeit, diese Variante des Kohlenstoffs etwa für die Speicherung oder Umwandlung von Energie, zur Katalyse oder für die Trennung von Gasen einzusetzen.

via Institute for Basic Science