Wissenschaftler erschaffen endlich Graphen, das Wundermaterial der nächsten Generation

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Seit mehr als einem Jahrzehnt versuchen Wissenschaftler erfolglos, eine neue Form von Kohlenstoff namens Graphik zu synthetisieren. Aber Forschern der University of Colorado in Boulder ist es endlich gelungen, das schwer fassbare Allotrop von Kohlenstoff zu erzeugen. Diese Forschung schließt eine seit langem bestehende Lücke in der Wissenschaft der kohlenstoffhaltigen Materialien und eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Forschung in Elektronik, Optik und Halbleitern.

Die Forscher dokumentierten ihren Prozess in einer Studie mit dem Titel „Synthese von γ-Graphen durch dynamische kovalente Chemie», veröffentlicht in Nature Synthesis.

Aufgrund der Vielseitigkeit und Nützlichkeit des Elements in verschiedenen Branchen ist die Herstellung verschiedener Allotrope (Formen) von Kohlenstoff für Wissenschaftler seit langem von Interesse.

Kohlenstoffallotrope können auf unterschiedliche Weise konstruiert werden, je nachdem, wie die Hybride von Kohlenstoffen und ihre entsprechenden Bindungen verwendet werden. Zu den bekanntesten Allotropen dieser Art gehört Graphit, das in Bleistiften und Diamanten verwendet wird. Sie werden aus „sp2“-Kohlenstoff bzw. „sp3“-Kohlenstoff hergestellt.

Wissenschaftler haben im Laufe der Jahre traditionelle Methoden verwendet, um verschiedene solche Allotrope herzustellen, darunter Fulleren und Graphen. Forscher, die an diesen Materialien arbeiteten, wurden 1996 bzw. 2010 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Aber leider erlauben diese Methoden nicht, verschiedene Arten von Kohlenstoff in großer Menge zusammen zu synthetisieren, was für die Herstellung von Graphen notwendig ist. Aufgrund dieser Hürde blieb Graphen ein theoretisches Material, von dem angenommen wurde, dass es einzigartige elektrische, mechanische und optische Eigenschaften besitzt.

Forscher auf diesem Gebiet wandten sich an Wei Zhang, den Co-Autor der Forschungsarbeit, und seine Laborgruppe. Zhang ist Professor für Chemie an der CU Boulder und studiert reversible Chemie. Reversible Chemie ermöglicht es Bindungen, sich gegenseitig zu korrigieren, und eröffnet die Möglichkeit, neue Arten von „Netzwerken“ (geordnete Strukturen) wie synthetische Polymere zu schaffen, die wie DNA aussehen.

Das Team verwendete einen Prozess namens Alkin-Metathese zusammen mit Thermodynamik und kinetischer Kontrolle, um eine neue Art von Material zu schaffen, das mit der Leitfähigkeit von Graphen konkurrieren könnte, aber mit Kontrolle. Alkinmetathese bezieht sich auf eine organische Reaktion, die die Umverteilung (Schneiden und Bilden) von chemischen Alkinbindungen beinhaltet. Alkine sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung.

Das Material wurde erfolgreich erstellt. Das Team muss jedoch noch viele andere Details berücksichtigen, einschließlich der Frage, wie es in großem Maßstab erstellt und für verschiedene Anwendungsfälle manipuliert werden kann. Diese Bemühungen werden dazu beitragen, die elektrischen und optischen Eigenschaften des Materials besser zu verstehen, sodass es in Anwendungen wie Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden kann.