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Marburg Mehr Möglichkeiten als Zukunfts-Werkstoff
Marburg Mehr Möglichkeiten als Zukunfts-Werkstoff
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17:58 21.05.2021
Das Labor der Arbeitsgruppe von Professor Michael Gottfried.
Das Labor der Arbeitsgruppe von Professor Michael Gottfried. Quelle: AG Gottfried / Uni Marburg
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Marburg

Die neue Kohlenstoff-Form – von ihren Entdeckern auf den Namen Biphenylen-Netzwerk getauft – ist von ihrer Struktur her vergleichbar mit Graphen, dem bisher dünnsten bekannten Material, das nur aus einer Lage von Atomen besteht. Superdünn, extrem, ultraleicht und flexibel: Als stabilste Form des Kohlenstoffs und wegen seiner besonderen Beschaffenheit und universalen Verwertbarkeit gilt Graphen seit einigen Jahren als eine Art Wunderwerkstoff der Zukunft und ist unter anderem im Gespräch als Ersatz für Silizium in Transistoren (elektronische Computer-Bauelemente) oder als Material für Akkus. Nun könnte die neue Variante eines Kohlenstoff-Netzwerks sogar eine Art „Graphen plus“ darstellen. Denn das in Marburg neu entdeckte Netzwerk unterscheidet sich in seinen elektronischen Eigenschaften fundamental von Graphen.

Professor Michael Gottfried

„Anders als Graphen oder andere Kohlenstoffarten besitzt das Biphenylen-Netzwerk metallische Eigenschaften“, erläutert Professor Gottfried. Schon sehr schmale Streifen des Materials, die nur 21 Atome umfassen, verhalten sich als Metalle und könnten in zukünftigen elektronischen Bauelementen auf Kohlenstoffbasis als effiziente Leiterbahnen eingesetzt werden. „Für die Elektronik könnte das sehr interessant werden“, meint der Marburger Wissenschaftler im Gespräch mit der OP.

Weil es laut Berechnungen potenziell eine größere Speicherfähigkeit für Lithium hat, könnte das neue Material auch in Lithium-Ionenbatterien der Zukunft gewinnbringend zum Einsatz kommen, vermutet der Marburger Chemiker. Als besonders interessant dafür könnten sich die großen Poren in der Wabenstruktur des Materials erweisen, durch die das Lithium hindurchfließen könnte.

Mit Hilfe von quantenchemischen Berechnungen und Experimenten im Labor hatten die Marburger Chemiker jetzt nach neunjähriger Vorarbeit ihr Ziel erreicht. Dass die neuartige Struktur mit anderen Verknüpfungsmustern existiert, war zuvor zwar schon seit 2012 theoretisch vorhergesagt, aber noch nie in der Praxis bestätigt worden. Eine konkurrierende Arbeitsgruppe war mit ihrem Ansatz im Jahr 2014 noch gescheitert. Jetzt haben die Marburger Chemiker den internen Wettlauf der Fachcommunity für sich entschieden.

Der Erfolg ist auch ein Ergebnis der Teamarbeit in der Arbeitsgruppe von Professor Gottfried, zu der unter anderem der chinesische Gastdoktorand Qitang Fan gehört, der die Hauptarbeiten im Labor ausführte. Mit Mikroskopen der Wissenschaftler in Marburg konnte die Struktur des neuen Kohlenstoffnetzwerkes erstmals sichtbar gemacht werden. Gemeinsam mit Physikern der Universität in Aaalto (Finnland) bestätigten sie die Ergebnisse anschließend mit Hilfe von höchstauflösender Rastersondenmikroskopie und wiesen auch die fundamental neuen elektronischen Eigenschaften nach.

Und auch wenn Gottfried die ersten Ergebnisse der Forschungsarbeit bereits am Rande von Kongressen präsentiert hatte, wurden sie erst am Donnerstagabend gegen 20 Uhr öffentlich, als die Publikation in der international renommierten Fachzeitschrift „Science“ nach monatelangen Begutachtungen offiziell publiziert wurde. Theoretisch stehen somit die detaillierten Forschungsergebnisse Forschern auf der ganzen Welt zur weiteren Auswertung zur Verfügung.

Allerdings prüft Professor Gottfried trotzdem auch noch, ob er ein Patent auf das Biphenylen-Netzwerk anmelden wird. Dafür hat er jetzt ein Jahr Zeit.

„Wir haben jetzt das erste zweidimensionale Kohlenstoff-Netzwerk gefunden, in dem jedes Atom wie in Graphen mit jeweils drei Nachbarn verknüpft ist, das aber ganz andere Eigenschaften hat als Graphen“, bilanziert der Marburger Chemiker. Und das bietet durchaus Chancen für die Umsetzung der Ergebnisse der Grundlagenforschung in die industrielle Fertigung beispielsweise von Elektronikbauteilen oder Batterien.

Ein Ziel der Forschung müsste es dafür sein, das Biphenylen-Netzwerk in größeren Ausdehnungen und Mengen herzustellen. Folgeversuche führten nach Angaben von Gottfried schon zu ersten Erfolgen bei der Verwendung von Kupfer statt Gold als Oberflächenmaterial. Dabei gab es den Nebeneffekt, dass nicht mehr der für die Weiterverarbeitung hinderliche Fluorwasserstoff als Abfallprodukt entstand.

Wirft man den Blick zurück auf die Entwicklung in Sachen Graphen, dann stellt man fest, dass im Jahr 2010 die Physiker Andre Geim und Kostya Novoselov von der Universität Manchester für ihre zündende Idee einer Weiterentwicklung des Materials sogar den Nobelpreis erhielten. Sie beschrieben erstmals die physikalischen Eigenschaften von Graphen. Und sie entdeckten zudem, wie man das 1947 erstmals theoretisch beschriebene Material nur aus einer Atomlage bestehende Graphen durch eine simple Methode gewinnen kann, indem sie es aus in Bleistiftminen vorkommendem Graphit abblättern ließen.

„Graphen entsteht jetzt gewissermaßen von selbst. Wir müssen uns beim Biphenylen-Netzwerk allerdings noch mehr anstrengen“, erläutert Gottfried. Noch ist nicht klar, wie vielversprechend das neue Material wirklich ist. Doch auch wenn die Kapazitäten und Ressourcen der Forscher an der Universität Marburg im Vergleich zu Forschungsverbünden größerer Universitäten oder außeruniversitären Forschungseinrichtungen begrenzt sind, so planen die Marburger Chemiker doch zusammen mit ihren Kollegen aus dem Sonderforschungsbereich (SFB) 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“, sich in Zukunft vertiefter mit dem neuen Kohlenstoffnetzwerk zu befassen und beispielsweise die Prozesse zu analysieren, die sich an den Grenzflächen des neuen Materials abspielen.

In dem SFB sind nicht nur Chemiker verschiedener Fachrichtungen, sondern auch Physiker zusammengeschlossen. Und es trifft sich gut, dass der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Verbund kurz vor einer Verlängerung steht und dann für eine weitere Förderperiode von fünf Jahren Fördermittel in Millionenhöhe bekommen würde.

Biphenylen-Netzwerk

Für ihre Experimente bei der Entdeckung des neuen Biphenylen-Netzwerks erzielten die Marburger Forscher in der Arbeitsgemeinschaft von Professor Michael Gottfried ihren Durchbruch, in dem sie im Labor spezielle organische Molekülketten auf den Oberflächen von Goldkristallen mit einem Durchmesser von 10 Millimetern mal 2 Millimetern bildeten. Eine anschließende Reaktion verknüpfte diese sechsgliedrigen Polymerketten, wobei dann zusätzlich auch Ringe mit vier und acht Kanten entstanden. Baugleich sind in beiden Strukturen die dreifach verknüpften Atome.

Die Marburger Forscher konnten den Entstehungsmechanismus aufklären, wie Professor Gottfried erläutert. Entscheidend ist dabei, dass es zwei Arten von Molekülketten gibt, die in unterschiedlicher Händigkeit jeweils als eine Art Bild und Spiegelbild (oder links- und rechtshändig) existieren. Die Ketten derselben Händigkeit lagern sich bei den Experimenten im Labor auf der Oberfläche jeweils in geordneten Bereichen zusammen, bevor die Verknüpfung beginnt. Dies ist aber essenziell für die Entstehung der neuen Kohlenstoffstruktur. Denn wenn Ketten unterschiedlicher Händigkeit reagieren, entsteht stattdessen Graphen.

Von Manfred Hitzeroth

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