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Festkörperphysik: Eine organische Perspektive für die Hochtemperatursupraleitung

Elektrizität ohne Verluste über lange Strecken zu leiten ist für unsere stromhungrige Gesellschaft ein attraktives Versprechen – kein Wunder, dass immer mehr Stoffe mit dieser Eigenschaft entwickelt werden. Besonders begehrt sind Verbindungen, die bei möglichst hohen Temperaturen supraleitend sind: Liegt ihre Sprungtemperatur oberhalb von 77 Kelvin, können sie statt mit flüssigem Helium mit dem wesentlich billigeren Stickstoff gekühlt werden. Einige Kupferoxid-Keramiken erreichen diesen Wert längst: Der Rekord liegt bei 135 Kelvin.

Damit kann die neueste Entdeckung, die der japanische Chemiker Yoshihiro Kubozono von der Okayama University publiziert hat, nicht mithalten. Er beschreibt ein neues Material, das bis auf 18 Kelvin gekühlt werden muss, bevor es supraleitend wird. Dafür ist der Stoff nicht nur irgendein weiterer Hochtemperatursupraleiter, sondern die erste organische Verbindung mit dieser Eigenschaft seit über einem Jahrzehnt. Grundbaustein ist der synthetisch leicht verfügbare Stoff Picen, der aus fünf miteinander verbundenen Benzolringen besteht.

Dadurch sticht der neue Supraleiter aus der Masse der in den letzten Jahren entdeckten Kandidaten heraus: Bordotierter Diamant, Graphit oder neuerdings Eisen-Arsen-Keramiken sind in den Fokus der Forschung gerückt, doch sie alle sind anorganische Minerale. Für viele großtechnische Anwendungen sind sie ungeeignet, weil sie zu spröde und zu schwer zu verarbeiten sind. Die organische Chemie dagegen bietet eine große Vielfalt an Strukturen, die darüber hinaus meist auch einfacher in der nötigen Reinheit und Menge verfügbar sind.

So kann zum Beispiel Picen, das Ausgangsmaterial für den neuen Supraleiter, in einer einfachen chemischen Reaktion in großen Mengen hergestellt werden, und auch der Supraleiter erfordert keine besonders anspruchsvolle Synthese. Der Kohlenwasserstoff wird zusammen mit Kalium mehrere Tage lang in einer Quarzampulle auf 170 Grad Celsius erhitzt. Die Reaktion erbrachte schwarze Kristalle, in denen etwa drei Kaliumatome auf ein Picenmolekül kommen und die zwei unterschiedliche supraleitende Phasen mit Sprungtemperaturen von 7 und 18 Kelvin bilden.

Picen gehört zu den polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, einer Stoffklasse, die zwischen den beiden Extremen Benzol und Graphen – einer einzelnen Schicht des Grafits – eine kaum überschaubare strukturelle Vielfalt miteinander verbundener Benzolringe bietet. Diese Stoffe können sich in ihren Eigenschaften drastisch unterscheiden. Pentacen zum Beispiel, das die gleiche Summenformel hat und dem Picen auch strukturell sehr ähnlich ist, zeigt in Verbindung mit Alkalimetallen nach dem derzeitigen Stand der Forschung überhaupt keine Supraleitung.

Wie viel Forschungsbedarf besteht, demonstriert das Beispiel der schon länger bekannten Alkalimetallfulleride. Diese Festkörper, in denen Metallatome in ein Gitter aus C60-Buckminsterfullerenen eingelagert sind, neigen zur Hochtemperatursupraleitung. Allerdings nicht in jeder Zusammensetzung. K3C60 ist wie das Picen-Analogon unterhalb von 18 Kelvin supraleitend. Mit Zäsium und Rubidium verbindet sich das Fulleren zum Festkörper RbCs2C60, der unter 33 Kelvin allen elektrischen Widerstand verliert, was für diese Alkalimetallfulleride der bekannte Höchstwert ist. Dagegen ist das reine Zäsiumfullerid Cs3C60 überhaupt nicht supraleitend – außer der Druck steigt über 15 Bar.

Nun hoffen die Chemiker darauf, dass sich der Variantenreichtum auch bei Picen und seinen Strukturverwandten fortsetzt – und das einer dieser Stoffe irgendwann die keramischen Supraleiter überflüssig macht. (lf)

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