Materialforschung : Hart wie Diamant

Diamant, Grafit und Ruß haben Familienzuwachs bekommen: Amerikanische Forscher haben eine völlig neue, ungewöhnlich aufgebaute Kohlenstoffform hergestellt.

Kohlenstoffball. Aus solchen Fullerenen wurde das neue Material hergestellt.
Kohlenstoffball. Aus solchen Fullerenen wurde das neue Material hergestellt.Foto: Reuters

Sie besteht aus einzelnen Klumpen ungeordneter Kohlenstoffatome, die in einer Art übergeordnetem Kristallgitter angeordnet sind, berichten Lin Wang von der Carnegie Institution in Argonne und Kollegen in „Science“.

Kohlenstoff kommt in verschiedenen Formen vor. Bei Diamanten sind die Kohlenstoffatome in einem Kristallgitter angeordnet, dies macht den transparenten Edelstein zum härtesten natürlichen Material. Das dunkelgraue Grafit hat dagegen eine Schichtstruktur, die das beispielsweise in Bleistiftminen eingesetzte Material weich und blättrig macht. Fullerene schließlich sind kugelförmige, hohle Kohlenstoffkäfige aus mindestens 60 Atomen. Das bekannteste, das Buckminster-Fulleren, besteht aus regelmäßigen Fünf- und Sechsecken (siehe Foto).

Alle Kohlenstoffformen haben eines gemeinsam: Ihr Aufbau ist entweder kristallin, also sehr regelmäßig, oder aber amorph, das heißt völlig ungeordnet. Eine Mischform gab es bisher nicht. Jetzt scheint dem Team um Wang die Herstellung einer Kohlenstoffvariante gelungen zu sein, die sowohl kristalline wie amorphe Eigenschaften besitzt. Sie hatten dazu Buckminster-Fullerene in Xylol gelöst, einem organischen Lösungsmittel, und diese Lösung einem Druck von über 32 Gigapascal ausgesetzt. Das ist mehr als 320 000 Mal so hoch wie der Atmosphärendruck. Dabei entstand ein Material, das so hart war, dass es die Diamantstempel in der Druckkammer beschädigte.

Nach Ansicht der Forscher geschah Folgendes: In seinem Urzustand ist jeder Fulleren-Ball von mehreren Lösungsmittelmolekülen umgeben, die ihn von seinen Nachbarn trennen. Steigt der Druck, kollabieren die hohlen Käfige und verwandeln sich in amorphe Kugeln. Da die Lösungsmittelmoleküle aber ihre Position behalten, werden auch die kollabierten Fullerene an ihrem ursprünglichen Platz festgehalten. So entsteht eine regelmäßige, gitterartige Struktur aus amorphen Kohlenstoffclustern. dapd

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