Lange vermutetes „Wundermaterial der nächsten Generation“ zum ersten Mal geschaffen

Seit über einem Jahrzehnt versuchen Wissenschaftler mit begrenztem Erfolg, eine neue Form von Kohlenstoff namens Graphen zu synthetisieren. Dank neuer Forschungsergebnisse der University of Colorado Boulder ist dieses Unterfangen nun jedoch beendet.

Graphyne ist wegen seiner Ähnlichkeiten mit dem „Wundermaterial“ Graphen schon lange für Wissenschaftler interessant – eine andere Form von Kohlenstoff, die von der Industrie hoch geschätzt wird und deren Forschung 2010 sogar mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Doch trotz jahrzehntelanger Arbeit und Theoretisierend wurden bisher nur wenige Fragmente erstellt.

Diese Forschung, angekündigt letzte Woche in Natursynthesefüllt eine seit langem bestehende Lücke in der Kohlenstoffmaterialwissenschaft und eröffnet potenziell brandneue Möglichkeiten für die Elektronik-, Optik- und Halbleitermaterialforschung.

„Das gesamte Publikum, das gesamte Fachgebiet ist wirklich begeistert, dass dieses seit langem bestehende Problem oder dieses imaginäre Material endlich realisiert wird“, sagte Yiming Hu, Hauptautor des Papiers und Doktorand im Jahr 2022 in Chemie.

Wissenschaftler interessieren sich seit langem für die Konstruktion neuer oder neuartiger Kohlenstoff-Allotrope oder Formen von Kohlenstoff, da Kohlenstoff sowohl für die Industrie als auch wegen seiner Vielseitigkeit nützlich ist.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Kohlenstoff-Allotrope konstruiert werden können, je nachdem, wie sp2-, sp3- und sp-hybridisierter Kohlenstoff (oder die verschiedenen Arten, wie Kohlenstoffatome an andere Elemente binden können) und ihre entsprechenden Bindungen verwendet werden. Die bekanntesten Kohlenstoff-Allotrope sind Graphit (verwendet in Werkzeugen wie Bleistiften und Batterien) und Diamanten, die aus sp2-Kohlenstoff bzw. sp3-Kohlenstoff hergestellt werden.

Mit traditionellen chemischen Methoden haben Wissenschaftler im Laufe der Jahre erfolgreich verschiedene Allotrope hergestellt, darunter Fulleren (dessen Entdeckung 1996 den Nobelpreis für Chemie gewann) und Graphen.

Diese Methoden erlauben es jedoch nicht, die verschiedenen Arten von Kohlenstoff in irgendeiner Art von großer Kapazität zusammen zu synthetisieren, wie es für Graphen erforderlich ist, das das theoretisierte Material hinterlassen hat – von dem spekuliert wird, dass es einzigartige elektronenleitende, mechanische und optische Eigenschaften hat – um das zu bleiben: eine Theorie.

Aber es war auch dieses Bedürfnis nach dem Nicht-Traditionellen, das die Fachleute dazu veranlasste, sich an die Laborgruppe von Wei Zhang zu wenden.

Zhang, Professor für Chemie an der CU Boulder, untersucht reversible Chemie, d. h. eine Chemie, die es Bindungen ermöglicht, sich selbst zu korrigieren, was die Schaffung neuartiger geordneter Strukturen oder Gitter ermöglicht, wie z. B. synthetische DNA-ähnliche Polymere.

Nachdem sie angesprochen wurden, beschlossen Zhang und seine Laborgruppe, es zu versuchen.

Die Herstellung von Graphen ist eine „wirklich alte, seit langem bestehende Frage, aber da die synthetischen Werkzeuge begrenzt waren, ging das Interesse zurück“, sagte Hu, der ein Ph.D. Student in Zhangs Laborgruppe, kommentierte. „Wir haben das Problem wieder herausgeholt und ein neues Tool verwendet, um ein altes Problem zu lösen, das wirklich wichtig ist.“

Unter Verwendung eines als Alkinmetathese bezeichneten Prozesses – einer organischen Reaktion, die die Umverteilung oder Spaltung und Neubildung chemischer Bindungen von Alkinen (eine Art von Kohlenwasserstoff mit mindestens einer dreifach kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung) – sowie Thermodynamik und kinetische Kontrolle beinhaltet konnte die Gruppe erfolgreich etwas schaffen, das noch nie zuvor geschaffen worden war: Ein Material, das mit der Leitfähigkeit von Graphen konkurrieren konnte, aber mit Kontrolle.

„Es gibt einen ziemlich großen Unterschied (zwischen Graphen und Graphen), aber auf eine gute Art und Weise“, sagte Zhang. „Dies könnte das Wundermaterial der nächsten Generation sein. Deshalb sind die Leute sehr aufgeregt.“

Obwohl das Material erfolgreich erstellt wurde, möchte das Team noch die besonderen Details davon untersuchen, einschließlich der Frage, wie das Material in großem Umfang erstellt und wie es manipuliert werden kann.

„Wir versuchen wirklich, dieses neuartige Material aus mehreren Dimensionen zu erforschen, sowohl experimentell als auch theoretisch, von der atomaren Ebene bis hin zu realen Geräten“, sagte 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“, sagte Hu.

Für Zhang wäre dies ohne die Unterstützung eines interdisziplinären Teams niemals möglich gewesen, und fügt hinzu: „Ohne die Unterstützung der Physikabteilung, ohne die Unterstützung von Kollegen wäre diese Arbeit wahrscheinlich nicht möglich.“