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Nach langer Suche: Negativ gekrümmter Kohlenstoff entdeckt

Nach Graphen und Fullerenen haben Fachleute jetzt auch die dritte mögliche Form zweidimensionalen Kohlenstoffs hergestellt.
Das dreidimensionale Schwarzit besteht aus Graphen, das überall negativ gekrümmt ist.

Die »Wunderfolie« Graphen hat eines ihrer letzten großen Geheimnisse preisgegeben. Wie eine internationale Arbeitsgruppe um Efrem Braun von der University of California in Berkeley jetzt in »PNAS« berichtet, bestehen mehrere nach einem neuen Verfahren hergestellte Strukturen aus negativ gekrümmtem Graphen. Diese als Schwarzite bezeichneten Materialien sind dreidimensionale gitterartige Strukturen mit Außenflächen aus Graphen, die aber an jedem Punkt der Oberfläche sattelförmig nach innen gewölbt sind.

Schwarzite entstehen in den Poren eines Gittermaterials namens Zeolith, wenn sich ein kohlenstoffhaltiges Gas in dem Material zersetzt und die Innenseite der Poren mit einer Lage Graphen überzieht. Das Graphen folgt aber nicht exakt der Oberfläche, sondern bildet wie eine Seifenhaut eine gekrümmte topologische Minimalfläche. Der Zeolith wird bei dem Verfahren anschließend aufgelöst, so dass nur das Gerüst aus Kohlenstoff bleibt. Wie bei allem, was mit Graphen zu tun hat, hoffen Fachleute auch bei diesen Gerüsten auf neue und einzigartige Eigenschaften, besonders für elektronische Anwendungen.

© Animation von Yongjin Lee and Efrem Braun, UC Berkeley
Synthese von Schwarzit in den Poren eines Zeoliths

Dass diese bisher hypothetischen Varianten des elementaren Kohlenstoffs existieren, hatten Fachleute bereits in den 1990er Jahren aus den grundlegenden Eigenschaften von Flächen vorhergesagt. Ein zweidimensionales Material wie Graphen kann drei unterschiedliche Krümmungen einnehmen – allerdings waren bisher nur zwei davon verwirklicht: Eine Lage Graphen ist flach und hat die Krümmung null. Die Oberfläche eines käfigförmigen Buckminster-Fullerens oder eine Kohlenstoff-Nanoröhre ist positiv gekrümmt. Anders als diese Varianten entsteht negativ gekrümmtes Graphen jedoch nicht einfach von allein unter den richtigen Bedingungen, sondern benötigt das tragende Gerüst eines Zeoliths, das die Struktur vorgibt und das man hinterher chemisch wieder entfernen kann.

Zeolithe sind mineralische Stoffe, die innen ein regelmäßiges Netzwerk aus Tunneln und Poren besitzen; sie haben eine enorm große innere Oberfläche, und man nutzt sie technisch vor allem als Absorptionsmaterialien oder als Katalysatoren für chemische Prozesse. Da es eine enorme Vielzahl von Zeolithen mit unterschiedlichen Porenstrukturen gibt, sollten auch sehr viele unterschiedliche Schwarzit-Strukturen mit besonderen Eigenschaften existieren.

33/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 33/2018

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