Seit mehr als einem Jahrzehnt versuchen Wissenschaftler mit begrenztem Erfolg, eine neue Form von Kohlenstoff namens Graphyn zu synthetisieren. Dank neuer Forschungsergebnisse der University of Colorado Boulder ist dieses Unterfangen nun jedoch abgeschlossen.
Graphyn ist für Wissenschaftler seit langem von Interesse, da es Ähnlichkeiten mit dem "Wundermaterial" Graphen aufweist - einer anderen Form von Kohlenstoff, die von der Industrie sehr geschätzt wird und deren Forschung 2010 sogar mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Doch trotz jahrzehntelanger Arbeit und Theorien wurden bisher nur wenige Fragmente hergestellt.
Diese Forschung, die letzte Woche in Nature Synthesis veröffentlicht wurde, schliesst eine seit langem bestehende Lücke in der Kohlenstoff-Materialwissenschaft und eröffnet möglicherweise völlig neue Möglichkeiten für die Elektronik-, Optik- und Halbleitermaterialforschung.
"Das gesamte Publikum, das gesamte Feld, ist wirklich begeistert, dass dieses seit langem bestehende Problem oder dieses imaginäre Material endlich realisiert wird", sagte Yiming Hu, Hauptautorin der Arbeit und 2022 Doktorandin in Chemie.
Wissenschaftler sind seit langem an der Konstruktion neuer oder neuartiger Kohlenstoff-Allotrope oder Formen von Kohlenstoff interessiert, da Kohlenstoff für die Industrie nützlich und vielseitig einsetzbar ist.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Kohlenstoff-Allotrope zu konstruieren, je nachdem, wie sp2-, sp3- und sp-hybridisierter Kohlenstoff (oder die verschiedenen Möglichkeiten, wie sich Kohlenstoffatome an andere Elemente binden können) und ihre entsprechenden Bindungen genutzt werden. Die bekanntesten Kohlenstoff-Allotrope sind Graphit (das in Werkzeugen wie Bleistiften und Batterien verwendet wird) und Diamanten, die aus sp2-Kohlenstoff bzw. sp3-Kohlenstoff hergestellt werden.
Mit Hilfe traditioneller chemischer Methoden haben Wissenschaftler im Laufe der Jahre erfolgreich verschiedene Allotrope hergestellt, darunter Fulleren (für dessen Entdeckung 1996 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde) und Graphen.
Diese Methoden erlauben es jedoch nicht, die verschiedenen Kohlenstoffarten gemeinsam in einer grossen Menge zu synthetisieren, wie es für Graphen erforderlich ist, so dass das theoretische Material, dem einzigartige elektronenleitende, mechanische und optische Eigenschaften nachgesagt werden, genau das bleibt: eine Theorie.
Aber es war auch das Bedürfnis nach etwas Unkonventionellem, das die Fachleute dazu veranlasste, sich an die Arbeitsgruppe von Wei Zhang zu wenden.
Zhang, Professor für Chemie an der CU Boulder, erforscht die reversible Chemie, d. h. die Chemie, die es ermöglicht, dass sich Bindungen selbst korrigieren, wodurch neuartige geordnete Strukturen oder Gitter entstehen können, wie z. B. synthetische DNA-ähnliche Polymere.
Nachdem sie angesprochen wurden, beschlossen Zhang und seine Laborgruppe, es zu versuchen.
Die Schaffung von Graphyn ist eine "wirklich alte, seit langem bestehende Frage, aber da die synthetischen Werkzeuge begrenzt waren, ging das Interesse zurück", so Hu, der als Doktorand in Zhangs Laborgruppe tätig war. "Wir haben das Problem wieder hervorgeholt und ein neues Werkzeug benutzt, um ein altes Problem zu lösen, das wirklich wichtig ist."
Mithilfe eines Prozesses namens Alkin-Metathese - einer organischen Reaktion, bei der die chemischen Bindungen des Alkins (eine Art Kohlenwasserstoff mit mindestens einer kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung) umverteilt bzw. durchtrennt und neu gebildet werden - sowie mit Hilfe von Thermodynamik und kinetischer Kontrolle gelang es der Gruppe, etwas zu schaffen, das es zuvor noch nie gegeben hatte: Ein Material, das mit der Leitfähigkeit von Graphen konkurrieren kann, aber mit Kontrolle.
"Es gibt einen ziemlich grossen Unterschied (zwischen Graphen und Graphyn), aber auf eine gute Art und Weise", sagte Zhang. "Dies könnte das Wundermaterial der nächsten Generation sein. Deshalb sind die Leute sehr aufgeregt."
Auch wenn das Material bereits erfolgreich hergestellt wurde, will das Team noch weitere Details erforschen, z. B. wie man das Material in grossem Massstab herstellen kann und wie es sich manipulieren lässt.
"Wir versuchen wirklich, dieses neuartige Material in mehreren Dimensionen zu erforschen, sowohl experimentell als auch theoretisch, von der atomaren Ebene bis hin zu echten Geräten", so Zhang über die nächsten Schritte.
Diese Bemühungen sollten wiederum dazu beitragen, herauszufinden, wie die elektronenleitenden und optischen Eigenschaften des Materials für industrielle Anwendungen wie Lithium-Ionen-Batterien genutzt werden können.
"Wir hoffen, dass wir in Zukunft die Kosten senken und das Reaktionsverfahren vereinfachen können, und dann können die Menschen hoffentlich wirklich von unserer Forschung profitieren", so Hu.
Für Zhang wäre dies ohne die Unterstützung eines interdisziplinären Teams niemals möglich gewesen: "Ohne die Unterstützung des Fachbereichs Physik, ohne die Unterstützung einiger Kollegen, wäre diese Arbeit wahrscheinlich nicht möglich gewesen."
Literatur
- Hu, Y., Wu, C., Pan, Q. et al. Synthesis of γ-graphyne using dynamic covalent chemistry. Nat. Synth (2022)
