Ein Netz aus Fullerenen

Neuzugang bei den Kohlenstoff-Varianten: Chemiker haben erstmals ein einschichtiges Material aus miteinander verknüpften Fullerenen erzeugt. Dabei bilden die aus jeweils 60 Kohlenstoffatomen bestehenden Hohlkugeln ein zweidimensionales Netz. Es ist das erste Mal, dass solche „Buckyballs“ zu einem 2D-Mateial kombiniert werden konnten. Weil das Material die elektrischen Merkmale eines Halbleiters zeigt, könnte dies neue Anwendungen ermöglichen, wie das Team in „Nature“ berichtet.

Ob Graphit, Diamant, Nanoröhrchen oder Fullerene: Kaum ein Element ist so wandelbar wie der Kohlenstoff. Je nach Anordnung und Bindungsform der Atome ändert er sein Aussehen, seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften fundamental. Vor allem in zweidimensionaler Form wie im Graphen, kann der Kohlenstoff dabei auch seine elektrische Natur ändern und als Halbleiter, Leiter oder auch Isolator fungieren.

Buckyballs unter Druck

Eine neue Form zweidimensionalen Kohlenstoffs haben nun Lingxiang Hou von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking erstmals synthetisiert. Ausgangspunkt dafür waren Fullerene, Hohlkugeln aus jeweils 60 Kohlenstoffatomen. Presst man sie unter extrem hohem Druck zusammen, kann aus ihnen eine Art Polymer werden – ein geschichteter Verbund aus miteinander kovalent verbundenen Fulleren.

„Ein Schicht in diesem polymeren C60-Verbund zeigt eine regelmäßige, undulierende Topologie mit einer sich wiederholenden zweidimensionalen Anordnung der Kohlenstoff-Cluster“, erklären die Chemiker. „Diese Schichten zeigen interessante elektronische und magnetische Eigenschaften.“ Bisher war es jedoch nicht gelungen, die einzelnen Fullerenschichten aus dem Polymerblock zu isolieren und damit nutzbar zu machen.

Geschwächte Zwischenschicht ermöglicht Exfoliation

Diese Aufteilung in einzelne, zweidimensionale Schichten ist Hou und seinen Kollegen nun erstmals gelungen. Dafür erzeugten sie zunächst unter Hochdruck ein polymeres Fulleren, in dem sich die Fullerenschichten mit Schichten aus Magnesiumatomen abwechselten. Weil diese aber relativ fest an die Kohlenstoff-Hohlkugeln gebunden sind, lässt sich dieses Gebilde nicht spalten, wie die Chemiker erklären.

Das ändert sich jedoch, wenn man dem Magnesium einen anderen, attraktiveren Bindungspartner anbietet: Gibt man die organische Verbindung Tetrabutylammoniumsylicylat (TBAS) dazu, reagiert das Magnesium damit und bildet unter Lösung der Bindungen zum Kohlenstoff eine ionische Bindung aus, bei der Tetraammoniumbutyl-Ionen (NBu⁺ entstehen. Die Zwischenschichten sind dadurch nur noch lose mit den Fullerenschichten verknüpft. „Die C60-Schichten lassen sich nun einfach durch nur leichtes Schütteln abschilfern“, berichten Hou und sein Team.

Neues 2D-Material mit Halbleiter-Merkmalen

Das Ergebnis ist ein neues zweidimensionales Material, das aus einem Netz in einer Ebene miteinander verknüpfter Kohlenstoffhohlkugeln besteht. „Das 2D-C60-Material zeigt eine hohe Kristallinität und eine einzigartige topologische Struktur“, schreibt das Team. Das Nanonetz aus Fullerenen besitzt zudem besondere elektronische Eigenschaften. „Anders als Graphen oder freie Fullerene hat das Material eine moderate Bandlücke von 1,6 Elektronenvolt – damit könnte es sich als Halbleiter eignen“, erklären die Chemiker.

Hou und seinem Team haben damit nicht nur eine neue Variante der Kohlenstoff-2D-Materialien erzeugt, die Fullerenetze könnten auch ganz neue Anwendungen ermöglichen. „Dieses zweidimensionale Kohlenstoffmaterial bietet eine spannende Plattform den potenziellen Einsatz in zweidimensionalen elektronischen Systemen“, konstatieren die Chemiker. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04771-5)

Quelle: Chinese Academy of Sciences