Eindimensionaler Kohlenstoff im Schutzmantel

Materialphysik.Gibt es neben Diamant, Grafit und Fullerenen eine weitere Modifikation des Kohlenstoffs? Physiker um Thomas Pichler an der Uni Wien sind ihr auf der Spur. Ketten aus bis zu 6000 Atomen haben sie schon gebaut.

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„Die Existenz von Carbin ist ein Mythos, begründet auf schlechter Wissenschaft, vielleicht sogar auf Wunschdenken.“ So harsch äußerte sich der britische Chemiker Harry Kroto 2010, und das war durchaus ernst zu nehmen. Schließlich hatte Kroto seinen Nobelpreis 1996 für Arbeiten über die – neben Grafit und Diamant – dritte Modifikation des Kohlenstoffs bekommen: die Fullerene, ob ihrer Form auch als Fußballmoleküle bekannt. Gut, an deren Existenz hat man sich gewöhnt, aber was ist denn jetzt Carbin (auf Englisch: carbyne)? Und warum schon wieder eine neue Modifikation des Kohlenstoffs?

Weil dieses Element, auf dem das Leben aufbaut, sich auf unterschiedliche Weisen binden kann. Erste Variante: Alle vier Außenelektronen des Kohlenstoffs gehen gleichermaßen Bindungen ein. Dann sitzt das C-Atom in der Mitte eines Tetraeders, an dessen Ecken die vier Bindungspartner sitzen. Im Fall des Diamants sind das vier andere C-Atome. So entsteht eine dreidimensionale, sehr feste Struktur.

In der zweiten Variante tragen zunächst nur drei Elektronen zur Bindung bei: So entsteht die zweidimensionale Struktur des Grafits und der Fullerene, aber auch des Benzols. Zwischen den Bindungen, die von jedem C ausgehen, ist jeweils ein Winkel von 120 Grad, das ergibt Sechsecke wie in einer Honigwabe. Das jeweils vierte, schwächer gebundene Elektron, ist schuld an der Leitfähigkeit des Grafits.

Und wenn zunächst nur zwei Elektronen zur Bindung beitragen? Dann wird's eindimensional: eine schlichte Kette von C-Atomen. Wobei pro C-Atom zwei Elektronen übrig bleiben – und die sind für alle möglichen Bindungen zu haben und sorgen daher für Instabilität. Das ist ein Grund dafür, dass Carbin – wiewohl bereits 1885 von Adolf von Baeyer vorhergesagt – bis heute nicht erzeugt werden konnte.

Oder doch? Das kommt darauf an, mit wie langen C-Ketten man sich begnügt. Die organischen Chemiker, die Kroto so gezaust hat, verlängern die Kette sozusagen Glied um Glied, die Endpunkte – an denen Bindungen frei sind, die daher besonders empfindlich sind – schützen sie mit großen Molekülen, die sie dranhängen. Ob man da noch von Carbin sprechen kann, ist fraglich; dazu kommt, dass die Ketten spontan in zwei Hälften brechen, wenn ihre Länge die Grenze von 44 C-Atomen überschreitet.

Ganz anders gehen die Forscher um Thomas Pichler an der Uni Wien – in Zusammenarbeit mit Kollegen u. a. in Japan und der Schweiz – die Sache an, was wohl auch daran liegt, dass Pichler kein Chemiker, sondern Physiker ist. Sie erzeugen die C-Ketten in Schutzmänteln aus Kohlenstoff-Nanoröhren, wobei wichtig ist, dass deren Durchmesser genau richtig ist.

 

Wie lang ist unendlich?

So erreichten sie Ketten von bis zu 6000 C-Atomen, wie sie nun in „Nature Materials“berichten – unter dem vorsichtigen Titel „Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne“. „Es gibt keine Längenbeschränkung, wenn die Nanoröhre lang genug ist“, sagt Pichler. Per definitionem ist Carbin ein unendlich langer eindimensionaler Kristall, die scholastisch anmutende Frage ist, ab welcher Länge man von unendlich sprechen kann . . .

Als Nächstes wollen Pichler und Kollegen versuchen, die C-Ketten aus ihren Mänteln zu holen, vielleicht in Lösung zu bringen. Oder kann man sich den 1-D-Kristall als Festkörper vorstellen? Der Mythos Carbin bleibt faszinierend.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 09.04.2016)

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