// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Neue Kohlenstoffform besitzt poröse Diamantstruktur
Diamant ist nicht mehr die einzige bekannte Kohlenstoffform mit kovalenten Bindungen in allen drei Raumrichtungen. Forschern ist die Synthese von Diamondiyne gelungen, einem erweiterten Diamantnetz mit zusätzlichen Dreifachbindungen und Hohlräumen, das bislang als dünner Kohlenstofffilm mit kleinen Kristalliten entsteht und dessen poröse Struktur mehrere Messverfahren stützen.
Göteborg (Schweden). Kohlenstoff kann sehr verschiedene Strukturen bilden, obwohl alle Varianten nur aus einem Element bestehen. Graphit, Graphen, Fullerene und Nanoröhren unterscheiden sich vor allem darin, wie ihre Kohlenstoffatome miteinander verknüpft sind, doch für dreidimensional durchgehend kovalent verbundene Kohlenstoffnetze war bislang nur Diamant bekannt.
Ein zweites solches Netzwerk zu erzeugen, ist chemisch schwierig, weil beim Aufbau eines räumlichen Gitters zahlreiche irreversible Kohlenstoffbindungen in der richtigen Reihenfolge entstehen müssen. Viele mögliche Kohlenstoffstrukturen lassen sich theoretisch entwerfen, doch ihre geordnete Synthese scheitert häufig daran, dass Fehlverknüpfungen später nicht einfach rückgängig gemacht werden können.
Forscher der University of Gothenburg um Prof. Karl Börjesson haben Diamondiyne aus Bausteinen aufgebaut, die sich zu einem dreidimensionalen Netz verbinden. Wie beim Diamant sitzt ein tetraedrisch gebundenes Kohlenstoffatom an den Knotenpunkten, doch zwischen diesen Knoten liegen bei Diamondiyne lineare Ketten aus sp-hybridisierten Kohlenstoffatomen mit Dreifachbindungen.
Dadurch bleibt die grundlegende Diamanttopologie erhalten, während sich das Gitter räumlich aufweitet und poröser wird. Auf der Nanometerskala deuten die Strukturdaten darauf hin, dass zwei solcher Netze einander asymmetrisch durchdringen, wodurch die abgeleitete Elementarzelle nicht mehr kubisch wie das ideale einzelne Netz, sondern tetragonal ist.
Für die Synthese haben die Wissenschaftler zwei Flüssigkeitsphasen übereinandergeschichtet, wobei sich ein geschützter Kohlenstoffbaustein überwiegend in der organischen Phase und Kupferfluorid in der wässrigen Phase befinden. An ihrer Grenzfläche werden die Schutzgruppen schrittweise entfernt und die frei werdenden Bausteine miteinander gekoppelt.
Die Ausgangskonzentration von 7 Millimol pro Liter hält die Reaktion langsam genug, damit Moleküle nach und nach an wachsende Kristallite anbinden können. Die Messungen während der Reaktion zeigen, dass die Freisetzung der reaktiven Bausteine über Tage erfolgt und sich gleichzeitig an der Grenzfläche der Kohlenstofffilm bildet.
So entstanden zusammenhängende Kohlenstofffilme mit Flächen von bis zu fünf Quadratzentimetern, deren Dicke sich über die Reaktionszeit von wenigen bis zu mehreren Dutzend Nanometern einstellen lässt. Die Ausbeute lag bislang nur in der Größenordnung von höchstens einem Prozent und wurde nach Angaben der Autoren noch nicht optimiert, sodass die Methode zwar kontrollierbare Filme liefert, aber noch keine effiziente Herstellung großer Materialmengen.
Die chemische Zusammensetzung und die räumliche Ordnung haben die Forscher mit Spektroskopie, Festkörper-Kernspinresonanz und Elektronenmikroskopie untersucht. Eine schwache, aber reproduzierbare Raman-Bande bei 2.234 reziproken Zentimetern passt zu den erwarteten Dreifachbindungen der Diyin-Gruppen, während Festkörper-NMR zusätzlich die dafür erwarteten sp-hybridisierten Kohlenstoffatome nachweist.
Hochauflösende Elektronenmikroskopie zeigt in den Filmen Kristallite mit Gitterabständen, die zur berechneten Diamondiyne-Struktur passen. Die Intensitäten der Elektronenbeugung und weitere STEM-Aufnahmen stimmen besonders mit einem Modell überein, in dem zwei Netze gegeneinander um etwa drei Ångström verschoben sind und sich gegenseitig durchdringen.