Direkt zum Inhalt

News: Grenzgänger

Neben Graphit und Diamant bildet Kohlenstoff auch fußballartige, Nanometer große Moleküle, die Fullerene, aus. Wenngleich sich die drei Formen des Kohlenstoffs in ihren Eigenschaften erheblich unterscheiden, scheinen sie doch nicht so strikt voneinander getrennt zu sein, wie bisher angenommen.
Es war schon eine kleine Sensation, als Robert Curl, Sir Harold Kroto und Richard Smalley im Jahre 1985 in Nature über Ihre Entdeckung einer neuen Modifikation des Kohlenstoffs berichteten: die Fullerene. Klein war die Sensation jedoch nur deshalb, weil die Forschungsobjekte - Moleküle aus einigen Dutzend Kohlenstoffatomen, die sich zu fußballartigen Strukturen zusammenfanden - lediglich ein paar Nanometer groß waren. Das Interesse an der neuen Form des Kohlenstoffs ist jedoch bis heute ungebrochen.

Aber auch ein anderer Vertreter des Kohlenstoffs, der Diamant, regt die Phantasie von Wissenschaftlern an. So sollen dünne Schichten aus Nanodiamanten als hitzebeständiger Halbleiter oder als Material für Flachbildschirme dienen. Während solche Diamantschichten durch sukzessives Abscheiden von Kohlenstoff auf einem Substrat unter ganz bestimmten Versuchsbedingungen entstehen, lassen sich einzelne Nanodiamanten auf ganz einfachem Wege herstellen: Die Explosion von TNT oder Hexogen reicht aus.

Im Gegensatz zu makroskopischen Exemplaren waren die Eigenschaften jener molekülgroßen Diamanten bislang kaum bekannt. Grund genug für Jean-Yves Raty vom Lawrence Livermore National Laboratory und seine Kollegen, die Struktur der Nanodiamanten am Computer zu modellieren. Dabei lassen diese Simulationen vermuten, dass die Oberfläche jener kleinen Partikel bei den winzigen Abmessungen instabil wird. Während der Diamantkern erhalten bleibt, brechen die Bindungen der Hülle offenbar auf, und es entstehen an der Oberfläche Kohlenstoffringe aus fünf beziehungsweise sechs Atomen - im Prinzip eine Hülle, die stark an die fußballähnlichen Fullerene erinnert.

Um zu testen, ob diese Struktur tatsächlich existiert, setzten die Forscher einige dieser Nanodiamanten Röntgenstrahlung aus. Und tatsächlich: Das Absorptionsspektrum der Nanodiamanten zeigte deutliche Merkmale einer Fullerenstruktur. Sind die Winzlinge also tatsächlich von jener besonderen Hülle überzogen? Tyrone Daulton vom Stennis Space Center der NASA in Mississippi ist skeptisch: "Die Autoren haben nicht bewiesen, dass die fullerenartige Struktur die einzig mögliche ist, die jene Röntgensignatur aufweist." Nichtsdestotrotz gesteht er den Nanodiamanten eine besondere Bedeutung in der Zukunft der Elektronik zu.

So können zumindest die Nanopartikel anderer Halbleiter wie etwa Silicium Licht emittieren. Hierbei bestimmt vor allem die Größe des Nanopartikels die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts. Die Elektronen und Löcher - die Ladungsträger in Halbleitern - sind nämlich in den Nanometer großen Materialien eingesperrt, und aufgrund der winzigen Abmessungen machen sich hier quantenmechanische Effekt bemerkbar, die eben auch die Fähigkeit zur Lichtemission beeinflussen.

Laut den Rechnungen von Raty und Co wirken sich jene Quanteneffekte bei den kleinen Diamanten jedoch bis zu Abmessungen von etwa zwei Nanometern nicht aus. Leider lassen sich also die Erfahrungen von anderen Halbleitern offensichtlich nicht auf diese Materialien übertragen. Immerhin sind die Wissenschaftler zuversichtlich, dass weitere Erkenntnisse über einzelne Nanodiamanten auch die Eigenschaften von dünnen Diamantfilmen erklären könnten, und die sind es ja schließlich, von denen man sich elektronische Anwendungsmöglichkeiten verspricht.

Jim Davidson von der Vanderbilt University ist sich indes nicht so sicher, dass die Diamantschichten ähnliche Eigenschaften aufweisen, wie die Nanodiamanten: "Um Nanopartikel nutzen zu können, muss man sie irgendwie miteinander verschmelzen, in Lösung geben oder miteinander verbinden, was sehr wohl ihre eigenständigen Eigenschaften verändern kann."

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte