Strukturmodelle der neuen Kohlenstoffverbindungen, die zugleich hart und elastisch sind.

Hart wie Stein, elastisch wie Gummi

Diamant, Graphit, Graphen oder Nanoröhrchen – reiner Kohlenstoff bietet eine große Vielfalt an Materialien mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Mit einem Hochdruckexperiment erweiterten Forscher nun die Palette von vielseitigen Kohlenstoffverbindungen. Sie schufen ein leichtes Material, das zugleich hart wie Stein oder Keramik und elastisch wie ein Kunststoff ist. Wie die Gruppe in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichtet, ist der neue glasartige Kohlenstoff auch elektrisch leitfähig und bietet damit viele Anwendungsmöglichkeiten.

Grundlage der neuen Verbindung ist die einzigartige Eigenschaft von Kohlenstoffatomen, sich wahlweise mit zwei, drei oder vier weiteren Atomen verknüpfen zu können. Als Ausgangsmaterial wählten Meng Hu von der Yanshan Universität im chinesischen Qinhuangdao und Kollegen eine besondere Kohlenstoffverbindung, in der sich gebogene, atomar dünne Graphenschichten unregelmäßig zu einem Festkörper zusammenballen. Eine nur wenige Millimeter messende Probe dieses glasartigen Kohlenstoffs pressten die Forscher zwischen zwei Diamanten mit einem Druck von bis zu 25 Gigapascal zusammen. Zusätzlich heizten sie ihre Probe rasch auf bis zu 1100 Grad Celsius auf. Nach etwa zwei Stunden entstanden die bisher unbekannten harten und elastischen Varianten von Kohlenstoff, die widerstandsfähig gegen Druck und Chemikalien sind und sich unter starken Biegekräften elastisch verformen und nicht brechen. „Einfach erklärt, vereint das Material die besten Eigenschaften von graphit- und diamantartigen Kohlenstoffverbindungen“, so Koautor Zhisheng Zhao von der Yanshan Universität.

Strukturmodell einer neuen Kohlenstoffverbindung, die zugleich hart und elastisch ist.
Strukturmodell des komprimierten glasartigen Kohlenstoffs

Mit mehreren Methoden – wie Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und Ramanspektroskopie – analysierten die Forscher den inneren Aufbau des komprimierten glasartigen Kohlenstoffs. Dabei erkannten sie, dass sich die Atome in direkter Nachbarschaft mit einem Abstand von bis zu fünf Nanometern streng symmetrisch angeordnet hatten. Über größere Abstände jedoch dominiert eine eher ungeordnete atomare Struktur. In der Verbindung verknüpfen sich die Atome einerseits mit vier weiteren Atomen wie im Diamant, teilweise aber auch nur mit drei Nachbaratomen wie in Graphit oder Graphen.

Dieses Experiment zeigt, dass aus Kohlenstoff neue Werkstoffe entstehen können. „In Zukunft wollen wir mit unserem Verfahren weitere neue Materialen erschaffen“, so Zhao. Ihr Ziel sind extrem feste, ultraharte und zugleich superelastische Werkstoffe. Diese ließen sich beispielsweise für die Konstruktion von Brücken, Rotorflügeln oder Flugzeughüllen nutzen. Um große Mengen dieser Kohlenstoffverbindungen herstellen zu können, müsste aber auch das Syntheseverfahren noch deutlich optimiert werden. Denn die bisher erschaffenen Proben waren kaum größer als der Kopf einer Stecknadel.