Kohlenstoffforschung Moleküldefekte erhöhen die Leistungsfähigkeit von Graphen

Eine Forschergruppe der Julius-Maximilian-Universität Würzburg hat Graphen so hergestellt, dass die Moleküle Störstellen aufweisen. Die Wissenschaftler haben die Defekte gezielt in die Struktur des Graphen eingebracht, um die Eigenschaften des Kohlenstoffmaterials kontrollieren zu können und so das Material für technische Anwedungen interessanter zu machen.

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Würzburg – Graphen, eine einzige Schicht aus Kohlenstoffatomen, leitet Wärme und Strom besser als jedes andere Material. Zudem ist das Molekül chemisch sehr stabil – seine Zugfestigkeit ist 125-mal höher als die von Stahl. Für technische Anwendungen wird der Stoff aber noch interessanter, wenn seine regelmäßige Struktur durch einen Defekt gezielt verändert wird. Das ist jetzt dem Forscherteam um Professorin Anke Krüger vom Institut für Organischen Chemie der Universität Würzburg gelungen. Sie können die optischen und elektromagnetischen Eigenschaften von Graphen kontrollieren. So können Mikrochips leistungsfähiger werden. Im Form von Graphen-Oxid eignet es sich zum Beispiel als Versiegelungsmaterial.

Graphen ist im Prinzip eine dünne Folie aus reinem Kohlenstoff. Die Atome sind darin so angeordnet, dass sie ein Gitter mit einer sechseckigen, bienenwabenförmigen Struktur bilden. Lange wurde eine solche Struktur für instabil gehalten – bis sie dann im Jahr 2004 von Konstantin Novoselov und Andre Geim doch realisiert wurde. Dafür bekamen die beiden russischen Physiker 2010 den Nobelpreis verliehen.

Defekte bringen neue Eigenschaften

Die Störstellen in dem Kohlenstoffmaterial treten bei der Herstellung häufig auf: Die streng geordnete wabenförmige Sechseck-Struktur ist dann durch eingestreute Fünf- oder Siebenecke gestört, das ansonsten flache Graphen beult sich an diesen Stellen aus. Um die Defekte bestmöglich analysieren zu können, versuchten die Chemiker Graphen so zu synthetisieren, dass es möglichst viele Fehler aufweist.

Störstelle im Labor synthetisiert

Anke Krüger und ihre Doktorandin Yvonne Kirchwehm haben Kohlenstoffatome zu drei miteinander verbundenen Fünf-Ringen verknüpft, an denen jeweils ein Sechs-Ring aus Kohlenstoffatomen hängt. Diese Struktur bezeichnen die Chemiker als Tribenzotriquinacen. Um diese Kern-Einheit in größere Graphenmodelle einbauen zu können, muss sie an sehr schwer zugänglichen Positionen gezielt modifiziert werden. Diese äußerst knifflige Aufgabe haben die Würzburger Chemikerinnen nun durch eine geschickte Auswahl der Startmoleküle gelöst. „Damit ist der Weg zu deutlich größeren und dem Graphen immer ähnlicheren Molekülen mit einer definierten Defektstruktur geebnet“, erklärt Yvonne Kirchwehm.

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