Carbyne: Stärker als Graphen und Diamant

Chemiker haben errechnet, dass Ketten von doppelt und dreifach gebundenen Kohlenstoffatomen fester sind als jedes andere Material.

Das sechste Element im chemischen Periodensystem ist erstaunlich flexibel. Kannte man früher nur einfachen Kohlenstoff, Graphit und Diamant, sind mittlerweile Buckyballs und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff ebenso herstellbar wie eine große Anzahl exotischer Materialien aus Graphen.

Doch auch heute noch kann Kohlenstoff überraschen, wie Forscher um Mingjie Liu an der Rice University in Houston zeigen. Sie haben die physikalischen Eigenschaften einer weiteren Form von Kohlenstoff errechnet, die stärker und fester sein soll als jedes andere Material.

Der Kohlenstoff-Ableger nennt sich Carbyne und besteht aus einer Kette von Kohlenstoffatomen, die entweder aus alternierenden Dreifach- und Einfachbindungen oder fortgesetzten Doppelbindungen aufgebaut ist.

Carbyne ist bislang noch ein echtes Mysterium. Astronomen glauben, seine Signatur im interstellaren Raum entdeckt zu haben, doch auf der Erde versuchen sich Chemiker schon seit Jahrzehnten an der künstlichen Herstellung des Materials. Vor wenigen Jahren wurde eine erste Carbyne-Kette mit 44 Atomen in einer Lösung gebildet.

Bislang dachte man, dass Carbyne extrem instabil sein müsste: Es reicht, zwei Stränge miteinander in Kontakt zu bringen, um eine explosive Reaktion auszulösen. Nichtsdestotrotz sind Nanoforscher vom Potenzial des Materials fasziniert. Liu und Team gelang es nun erstmals, zu errechnen, wie fest und stark Carbyne tatsächlich ist.

So soll es zweimal so fest sein wie die aktuell festesten bekannten Materialien. Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen erreichen hier 4,5 x 10^8 Newtonmeter/kg, während Carbyne 10^9 N.m/kg erzielen soll. Bei der Stärke sieht es ähnlich beeindruckend aus. Liu und Co. berechneten, dass es ungefähr zehn nanoNewtons zum Brechen eines einzelnen Stranges braucht. "Diese Kraft lässt sich auf eine spezifische Stärke von 6,0 bis 7,5 x 10^7 Newtonmeter/kg umrechnen, was Graphen (4,7 bis 5.5 mal 10^7 Newtonmeter/kg), Kohlenstoffnanoröhrchen (4,3 bis 5,0 x 10^7 Newtonmeter/kg) und Diamant (2,5 bis 6,5 x 10^7 Newtonmeter/kg) übertrifft."

Carbyne hat noch andere interessante Eigenschaften. Seine Flexibilität ist zwischen einem typischen Polymer und doppelsträngiger DNA angesiedelt. Bei Verdrehung rotiert es frei oder wird drehstarr, je nachdem, welche chemische Gruppe man anbindet.

Vielleicht am interessantesten ist aber die tatsächliche Stabilität von Carbyne. Das Forscherteam meint, dass zwei Ketten zwar bei Kontakt miteinander reagieren können, aber es eine Aktivitätsbarriere gibt. Die sorge dafür, dass das Material in kondensierter Form bei Raumtemperatur mehrere Tage übersteht. All das macht Nanotechniker den Mund wässrig, sind doch ganz neue Anwendungen denkbar, bis hin zur Spintronik. Nun müsste nur noch die Herstellung zuverlässig gelingen. ()