Zusammenfassung:
Ein Forschungsteam der Universität Göteborg in Schweden gab bekannt, dass es zum ersten Mal erfolgreich ein neues Kohlenstoffallotrop, Diamondiyne, hergestellt hat, das zuvor nur ein theoretisches Modell war. Dieser Durchbruch bedeutet, dass nach Diamant, Graphit, Fulleren, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen ein neues Mitglied der Kohlenstofffamilie hinzugefügt wurde.
Kohlenstoff ist für seine reichhaltigen und vielfältigen Bindungsmethoden bekannt, die es ihm ermöglichen, eine Vielzahl von Strukturen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften zu bilden. Unter ihnen ist Diamant für seine extrem hohe Härte bekannt, während Graphit aufgrund seiner Schichtstruktur weich und leitfähig ist. Seit Jahrzehnten entdecken Wissenschaftler neue Kohlenstoffstrukturen und Diamondiyne ist die neueste, die erfolgreich realisiert wurde.
Tatsächlich wurde die Existenz von Diamondiyne erstmals vor 35 Jahren von theoretischen Chemikern vorhergesagt. Aufgrund seiner komplexen Struktur und der rauen Entstehungsbedingungen konnte es jedoch nicht in Experimenten bestätigt werden, sodass es lange Zeit als ein Material angesehen wurde, das nur in theoretischen Berechnungen existiert.
Die Forschung wurde von Karl Boyeson, Professor für physikalische Chemie an der Universität Göteborg, geleitet. Das Forschungsteam konstruierte schließlich eine neue dreidimensionale Kristallstruktur, indem es Kohlenstoffatome über drei Bindungen miteinander verband. Die Struktur besteht aus einer großen Anzahl tetraedrischer Einheiten, die durch Eckpunkte miteinander verbunden sind und ein regelmäßiges Netzwerk im dreidimensionalen Raum bilden.
Im Vergleich zu herkömmlichem Diamant ist das größte Merkmal von Diamondiyne das Vorhandensein natürlicher Hohlräume im Inneren. Die Forscher sagten, die Struktur könne als „poröser Diamant“ verstanden werden. Da sich zwischen den Tetraedern Poren befinden, weist das Material offensichtlich poröse Eigenschaften auf.
Noch wichtiger ist, dass für die Herstellung von Diamondiyne nicht die extrem hohe Druckumgebung erforderlich ist, die bei der Bildung natürlicher Diamanten der Fall ist. Das Forschungsteam nutzte relativ billige experimentelle Geräte, um einen extrem dünnen Film an der Grenzfläche zu erzeugen, die durch den Kontakt zwischen den beiden Flüssigkeiten entsteht, und brachte die Kohlenstoffatome erfolgreich dazu, sich in der gewünschten Weise anzuordnen.
Um die Authentizität der Struktur zu überprüfen, arbeiteten die Forscher mit Wissenschaftlern der Universität Stockholm und der Technischen Universität Chalmers zusammen, um das Material mithilfe fortschrittlicher Elektronenmikroskope zu analysieren. Die Beobachtungsergebnisse zeigen, dass sich in einigen Bereichen der Filmoberfläche eine sich wiederholende Gitterstruktur gebildet hat, die in hohem Maße mit dem theoretischen Modell übereinstimmt.
Das Forschungsteam gab an, dass es Diamondiynes einzigartiges, sich wiederholendes Anordnungsmuster in einem winzigen Bereich mit einer Seitenlänge von etwa 10 Nanometern erfolgreich beobachtet hat. Obwohl der Maßstab immer noch sehr begrenzt ist, stimmen die erhaltenen Bilder in hohem Maße mit theoretischen Vorhersagen überein und liefern starke Beweise für die Existenz dieses neuen Materials.
Boyerson sagte, dass dieser Erfolg hart erkämpft sei. Da es beim Zusammenbau von Kohlenstoffatomen viele unsichere Faktoren gibt, die zum Scheitern führen können, durchlief das Team eine lange Zeit der Erkundung, bevor es schließlich die richtige Vorbereitungsmethode fand. Er gab zu, dass es ihn sehr befriedigte, mit eigenen Augen zu sehen, wie diese theoretische Struktur Wirklichkeit wurde.
Diese Forschung ist eigentlich das Ergebnis der langfristigen Forschung des Teams zu kovalenten organischen Gerüstmaterialien. In den letzten Jahren haben sich poröse Materialien zu einer wichtigen Forschungsrichtung in der Materialwissenschaft entwickelt. Die mit dem Nobelpreis für Chemie 2025 ausgezeichneten metallorganischen Gerüste (MOFs) sind wichtige Errungenschaften auf diesem Gebiet, und Diamondiyne hat neue Möglichkeiten für poröse Materialien aufgezeigt, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen.
Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass Diamondiyne aufgrund seiner einzigartigen dreidimensionalen porösen Struktur zwar noch ein langer Weg bis zur Massenproduktion und praktischen Anwendung ist, es aber in Zukunft in Bereichen wie Energiespeicherung, Batterien, Elektrokatalyse, Gasspeicherung und fortschrittlichen elektronischen Materialien eingesetzt werden kann.
Von Diamant über Graphen bis hin zum ersten Mal Diamondiyne zeigt Kohlenstoff weiterhin erstaunliche strukturelle Kreativität. Die Forscher glauben, dass dieses Ergebnis nicht nur langjährige theoretische Vorhersagen bestätigt, sondern auch neue Forschungsrichtungen für die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien eröffnet.
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