Diamantartige Nanofäden hergestellt

Nanomaterialien aus Kohlenstoff wie Fullerene, Nanoröhrchen oder Graphen haben außergewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften. Wissenschaftler um Thomas Fitzgibbons von der Pennsylvania State University haben nun nanodünne Fäden aus Kohlenstoff in Diamantstruktur hergestellt. Das Material zeige bei vergleichsweise niedriger Dichte eine sehr hohe Steifheit und könne unter anderem in der Fahrzeugtechnologie ein Rolle spielen, so die Autoren im Fachmagazin „Nature Materials“.

Der Koautor John V. Badding bewertet die Entwicklung als „aus Sicht der Grundlagenwissenschaft […] faszinierend, weil die hergestellten Stränge eine nie zuvor gesehene Struktur aufweisen“. Der Nanofaden besteht im wesentlichen aus Kohlenstoffatomen, die wie in Diamant angeordnet sind: ringförmige Cyclohexanmoleküle bilden in Zickzack-Schritten die Glieder einer Kette. Im Cyclohexan ist jedes der sechs Kohlenstoffatome an zwei andere Kohlenstoff- und an zwei Wasserstoffatome in Form einer Pyramide gebunden, wobei die Kohlenstoffe in einen Ring in einer Ebene bilden.

Eine hochgeordneten einsträngigen Struktur aus Kohlenstoffatomen.
Kleinstmögliche Diamanten in ultradünnen Nanofäden

Die Fäden entstanden, indem die Forscher Benzol hohem Druck aussetzten. Benzol basiert wie Cyclohexan auf einem Ring von 6 Kohlenstoffatomen, beide unterscheiden sich jedoch in der Anzahl an gebundenen Wasserstoffatomen. Die flachen Benzolmoleküle stapelten sich unter dem Druck aufeinander, verbogen sich und brachen auseinander. „Ausgehend von früheren Experimenten erwarteten wir, dass die Atome der unter hohem Druck gespaltenen Benzolmoleküle zwar hochreaktiv, aber in ihrer Bewegungsfähigkeit durch den Druck eingeschränkt sind“, erläutert Badding weiter. Daher reduzierten die Wissenschaftler im Anschluss den Druck und beobachteten, wie sich die aufgebrochenen Benzolringe selbst neu organisierten. „Die Kohlenstoffatome hatten so ausreichend Zeit, miteinander zu reagieren und sich in einer hochgeordneten, einsträngigen Struktur zu verketten“, beschreibt Koautor Malcolm Guthrie von der Carnegie Institution of Science in Washington.

Verschiedene bildgebende Verfahren, darunter Röntgendiffraktometrie und Transmissionselektronenmikroskopie, lieferten nicht nur den Nachweis, dass es sich bei der Struktur, tatsächlich um die dünnen diamantartigen Fäden handelte. Gelegentliche Strukturfehler, die dabei auch zum Vorschein kamen, geben auch Anlass zu weiterer Forschung.

Zwar gilt die Kette mit wenigen Atomen im Durchmesser als extrem dünn, leicht und dennoch stabil, so Badding, doch sei man von einer Fertigung im industriellen Maßstab noch weit entfernt. Wären sie dieser Probleme Herr, so könne die Technologie zum Beispiel zu leichteren und energieeffizienteren Fahrzeugen beihelfen. Von Science-Fiction beeinflusst, wagt Badding den Ausblick: „In unserem kühnsten Traum wird das Material verwendet, um superstarke, leichtgewichtige Kabel herzustellen, mit denen man einen Weltraumlift bauen kann.“