Bay­reu­ther For­scher ent­decken Koh­len­stoff­ma­te­ri­al mit ein­zig­ar­ti­ger Struktur

Logo der Universität Bayreuth

For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben gemein­sam mit Part­nern in Chi­na und den USA erst­mals ein Koh­len­stoff­ma­te­ri­al her­ge­stellt, das nicht die streng geord­ne­ten Struk­tu­ren eines Kri­stalls auf­weist, aber auch nicht amorph ist. Es han­delt sich um para­kri­stal­li­nen Dia­mant mit ein­zig­ar­ti­gen opti­schen, mecha­ni­schen und ther­mo­phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten. Das Mate­ri­al bie­tet wich­ti­ge Anhalts­punk­te für das Ver­ständ­nis nicht­kri­stal­li­ner Mate­ria­li­en sowie für die geziel­te Syn­the­se wei­te­rer neu­er Koh­len­stoff­ma­te­ria­li­en. In “Natu­re” stellt das inter­na­tio­na­le Team sei­ne Ent­deckung vor.

Dia­mant ist ein außer­or­dent­lich har­tes Mate­ri­al, das auf natür­li­chem Weg unter extrem hohen Drücken im Erd­in­nern ent­steht. Es setzt sich aus Koh­len­stoff­ato­men zusam­men, die eine drei­di­men­sio­na­le kri­stal­li­ne Git­ter­struk­tur bil­den. Inner­halb die­ser Struk­tur hat jedes Koh­len­stoff­atom vier kova­len­te Bin­dun­gen. Dabei ver­tei­len sich die vier Elek­tro­nen, die an die­sen Bin­dun­gen betei­ligt sind, in einer cha­rak­te­ri­sti­schen Wei­se auf die Orbi­ta­le des Atoms. Daher wird der Zustand, in dem sich die Koh­len­stoff­ato­me eines Dia­mants befin­den, auch als “sp3-Hybri­di­sie­rung” bezeich­net. Dia­mant kommt in vie­len Kri­stall­for­men vor, die bekann­te­sten sind der kubi­sche Dia­mant (CD) und der hexa­go­na­le Dia­mant (HD). Die Syn­the­se von nicht-kri­stal­li­nem Dia­mant war jedoch bis­her tech­nisch schwie­rig, was das wis­sen­schaft­li­che Ver­ständ­nis sei­ner Struk­tur, sei­ner Eigen­schaf­ten und sei­nes Syn­the­se­me­cha­nis­mus einschränkte.

Eine For­scher­grup­pe unter der Lei­tung von Prof. Dr. Tomo Kats­ura am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat nun aber kürz­lich eine neue Ultra­hoch­druck­tech­nik mit Hil­fe einer groß­vo­lu­mi­gen Mul­ti-Anvil-Pres­se (MAP) ent­wickelt. Die­se Tech­nik setz­ten die For­scher ein, um nicht­kri­stal­li­nen Dia­mant in Mil­li­me­ter­grö­ße zu syn­the­ti­sie­ren. Bei einem Druck von 30 Giga­pas­cal und einer Tem­pe­ra­tur von mehr als 1.300 Grad Cel­si­us hat­ten sie Erfolg: Im Zustand der sp3-Hybri­di­sie­rung bil­de­ten die Koh­len­stoff­ato­me eine groß­flä­chi­ge nicht-kri­stal­li­ne Struk­tur, in der sich regel­mä­ßig auf­ge­bau­te Ein­hei­ten iden­ti­fi­zie­ren lassen.

Dr. Hu Tang, Erstautor der Studie, vor einer Hochdruckpresse im Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth. Foto: C. Wißler.

Dr. Hu Tang, Erst­au­tor der Stu­die, vor einer Hoch­druck­pres­se im Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Foto: C. Wißler.

“Das neue Mate­ri­al kann als ein para­kri­stal­li­ner Dia­mant beschrie­ben wer­den, der sich von allen bis­her bekann­ten struk­tu­rel­len Abwand­lun­gen von Dia­mant unter­schei­det. Es besitzt eine nicht-amor­phe Struk­tur, in der die Koh­len­stoff­ato­me teils in Wür­feln, teils in Sechs­ecken, teils in unre­gel­mä­ßi­gen Struk­tu­ren ange­ord­net sind. Die unge­wöhn­li­chen phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten des neu­en Mate­ri­als sind nicht rich­tungs­ab­hän­gig und vor­aus­sicht­lich geeig­net, die Erfor­schung von Hoch­druck­ma­te­ria­li­en wei­ter vor­an­zu­brin­gen”, sagt Erst­au­tor Dr. Hu Tang vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut. “Das von uns syn­the­ti­sier­te Mate­ri­al ist ein Zwit­ter: Es bil­det erst­mals eine Brücke zwi­schen kri­stal­li­nen und amor­phen, also völ­lig unge­ord­ne­ten Struk­tu­ren. Es wird die Mate­ri­al­for­schung dazu anre­gen, gezielt nach wei­te­ren neu­en Mate­ria­li­en in die­sem Zwi­schen­be­reich zu suchen, sagt Prof. Dr. Tomo Katsuro, Pro­fes­sor für geo­wis­sen­schaft­li­che Hoch­druck­for­schung am BGI.

Strukturvergleich: Kristalliner Diamant (links) und parakristalliner Diamant (rechts). Rechts sind Einheiten aus würfelförmig angeordneten Kohlenstoffatomen türkis, aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen gelb markiert. Unregelmäßige Strukturen sind rot gekennzeichnet. Bilder: Hu Tang.

Struk­tur­ver­gleich: Kri­stal­li­ner Dia­mant (links) und para­kri­stal­li­ner Dia­mant (rechts). Rechts sind Ein­hei­ten aus wür­fel­för­mig ange­ord­ne­ten Koh­len­stoff­ato­men tür­kis, aus hexa­go­nal ange­ord­ne­ten Koh­len­stoff­ato­men gelb mar­kiert. Unre­gel­mä­ßi­ge Struk­tu­ren sind rot gekenn­zeich­net. Bil­der: Hu Tang.

Der para­kri­stal­li­ne Dia­mant wur­de an einer Hoch­druck­pres­se im BGI syn­the­ti­siert. Bei der Ana­ly­se sei­ner Struk­tu­ren und Eigen­schaf­ten waren sowohl Expe­ri­men­te unter hohen Drücken und Tem­pe­ra­tu­ren als auch auf­wän­di­ge Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen betei­ligt. Die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler haben dabei mit For­schungs­part­nern in Chi­na und den USA eng koope­riert, ins­be­son­de­re mit Dr. Hui­yang Gou am Cen­ter for High Pres­su­re Sci­ence and Tech­no­lo­gy Advan­ced Rese­arch in Peking, Prof. Dr. Ming-Sheng Wang an der Xia­men-Uni­ver­si­tät, Chi­na und Prof. Howard Sheng an der Geor­ge Mason Uni­ver­si­ty in Fairfax.

Ver­öf­fent­li­chung:

Hu Tang, Xiao­hong Yuan, Yong Cheng, Hong­zhan Fei, Fuyang Liu, Tao Liang, Zhi­dan Zeng, Takayu­ki Ishii, Ming-Sheng Wang, Tomoo Kats­ura, Howard Sheng, and Hui­yang Gou: Syn­the­sis of paracry­stal­li­ne dia­mond. Natu­re volu­me 599, 605–610 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021–04122‑w

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.