Columbia-Chemiker entdecken eine neue Form von Kohlenstoff: Graphens „superatomarer“ Cousin

Nov 09, 2023

Graphulleren, ein atomar dünnes Material aus verbundenen Fulleren-Untereinheiten, bietet Wissenschaftlern eine neue Form von modularem Kohlenstoff zum Spielen.

Kohlenstoff in seinen unzähligen Formen fasziniert die wissenschaftliche Gemeinschaft seit langem. Materielle Formen von Kohlenstoff sind nicht nur der Hauptbestandteil allen organischen Lebens auf der Erde, sondern haben auch zahlreiche Durchbrüche erzielt. 1996 ging der Nobelpreis für Chemie an die Entdecker des Fullerens, einer superatomaren symmetrischen Struktur aus 60 Kohlenstoffatomen in Form eines Fußballs; Im Jahr 2010 gewannen Forscher, die mit einer ultrastarken, atomar dünnen Version von Kohlenstoff, bekannt als Graphen, arbeiteten, den Nobelpreis für Physik.

Heute haben Forscher unter der Leitung der Columbia-Chemiker Xavier Roy, Colin Nuckolls und Michael Steigerwald zusammen mit der Postdoktorandin und Erstautorin Elena Meirzadeh in einer in Nature veröffentlichten Arbeit eine neue Version von Kohlenstoff entdeckt, die irgendwo zwischen Fulleren und Graphen liegt: Graphulleren. Es handelt sich um eine neue zweidimensionale Form von Kohlenstoff, die aus Schichten verbundener Fullerene besteht, die von einem größeren Graphulleritkristall zu ultradünnen Flocken abgeschält werden – genau wie Graphen von Graphitkristallen (dem gleichen Material, das auch in Bleistiften vorkommt) abgeschält wird.

„Es ist erstaunlich, eine neue Form von Kohlenstoff zu finden“, sagte Nuckolls. „Dadurch wird einem auch klar, dass es eine ganze Familie von Materialien gibt, die auf ähnliche Weise hergestellt werden können und aufgrund der in die superatomaren Bausteine ​​geschriebenen Informationen neue und ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen.“

Meirzadeh, der die ersten Graphulleritkristalle synthetisierte, bezeichnete Graphulleren als den überatomaren „Cousin“ von Graphen. Im Gegensatz zu Graphen und den meisten anderen zweidimensionalen Materialien, die aus sich wiederholenden Elementen bestehen, die auf bestimmte Bindungsgeometrien beschränkt sind und daher bestimmte Eigenschaften aufweisen, sei Graphulleren aufgrund seiner superatomaren Struktur unglaublich modular, erklärte sie. Mit 60 Kohlenstoffatomen in der Kugel, mit der man arbeiten kann, können Fullerene theoretisch auf verschiedene Arten miteinander verbunden werden, die jeweils unterschiedliche elektronische, magnetische und optische Eigenschaften ergeben könnten – diese erste Version stellt nur eine mögliche Konfiguration dar, sagte Roy.

„Es ist eine neue Art, über Strukturen und ihre Eigenschaften zu denken, während sie wachsen“, fügte Steigerwald hinzu. „Seit mehr als 30 Jahren haben Forscher die Vorstellung, dass sich Atomcluster anders verhalten als die größeren Festkörper, die sie bilden“, sagte er. „Hier machen wir einen Feststoff aus einem vorhandenen Kohlenstoff-Superatom, um zu sehen, wie diese Art der Organisation seine Eigenschaften beeinflusst. Würde sich das neue Material wie Fulleren verhalten oder wie etwas anderes?“

Das Team machte sich daran, Fullerenmoleküle anstelle einzelner Kohlenstoffatome zu einem geschichteten, abziehbaren Kristall zu verbinden, um dessen superatomare Eigenschaften in zwei Dimensionen zu untersuchen. Meirzadeh verwendete eine Hochtemperatur-Festkörpersynthesetechnik mit einem Magnesiumgerüst, das später entfernt wurde – ein Prozess mit Säure, der nach einem Jahr Arbeit mit luftempfindlichen Kristallen in einer Handschuhbox ein etwas nervenaufreibender letzter Schritt war. „Als Chemiker probieren wir Dinge aus und wissen nicht immer, was passieren wird. Ich dachte, es würde auseinanderfallen, aber es blieb intakt“, erinnert sie sich. „Es war eine große Überraschung, einen intakten, reinen Kohlenstoffkristall zu sehen, den wir dann leicht ablösen und untersuchen konnten.“

Nachdem das neue Material hergestellt war, schickte Meirzadeh Proben zur ersten Bildgebung und Charakterisierung an Mitarbeiter in Columbia und darüber hinaus. Die Testreihe ergab eine Reihe faszinierender elektrischer, optischer und thermischer Eigenschaften. Wie Graphen kann Graphulleren Licht einschließen und polarisieren, es kann viele zusätzliche Elektronen aufnehmen und abstimmbare Übergitterstrukturen bilden; Diese Eigenschaften machen es zu einem vielversprechenden Material mit potenziellen Anwendungen in neuartigen optischen und elektronischen Geräten. Im Vergleich zu Fullerenen weisen Graphulleritkristalle nachweislich eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit auf, was auf die starken kovalenten Bindungen innerhalb jeder Graphullerenschicht zurückzuführen ist. Die Wärmeleitfähigkeit trägt zur Wärmeableitung bei, ein wichtiger Aspekt beim Bau von Geräten.

Die Arbeit ist für das Team ein Ausgangspunkt, um das Potenzial von Graphulleren zu erkunden. Aus chemischer Sicht planen sie, seine modularen Eigenschaften zu optimieren und abzustimmen und neue Strukturen einzuführen, während die Mitarbeiter genauer untersuchen werden, was passiert, wenn Graphulleren-Schichten mit verschiedenen Arten von zweidimensionalen Materialien kombiniert werden, die an der Columbia untersucht wurden, um herauszufinden, welche anderen Geheimnisse Kohlenstoff hat verbirgt.

„Die Entdeckungen von Graphen und Fullerenen waren unglaublich einflussreich“, sagte Roy. Fullerene werden beispielsweise zum Aufbau organischer Photovoltaikzellen und in der Medizin als Kontrastmittel für MRT- und Röntgenbildgebung sowie zur Durchführung medikamentöser Therapien verwendet. Das kürzlich entdeckte Graphen, ein extrem leichtes und dennoch starkes Material mit zahlreichen einzigartigen Eigenschaften, wird derzeit aktiv auf mögliche Verwendungsmöglichkeiten in der Elektronik, bei Energieanwendungen und mehr untersucht. „Jetzt haben wir sie zu dieser neuen Form von Kohlenstoff kombiniert. Wir wissen nicht genau, was aus dieser Arbeit herauskommen wird, aber es wird sehr spannend sein, es zu erkunden“, sagte er.

Mehr lesen: Elena Meirzadeh et al. Ein mehrschichtiges kovalentes Netzwerk aus Fullerenen. Nature 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05401-w