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Carbin – eine außergewöhnliche Form des Kohlenstoffs

Grafik: Annie Tykwiniski
Grafik: Annie Tykwiniski

Kohlenstoff nimmt eine absolute Sonderstellung im Periodensystem der Elemente ein. Mit seiner extrem großen Zahl an chemischen Verbindungen bildet er nicht nur die Grundlage des Lebens, sondern ist aufgrund seiner besonderen Eigenschaften auch in modernen elektronischen Anwendungen vielseitig einsetzbar. Elementarer Kohlenstoff kommt dabei in mehreren Modifikationen (sog. Allotropen) vor, wie z.B. Diamant und Graphit (3-dimensional), Graphen (2-dimensional), Nanoröhren (1-dimensional) sowie Fullerene und Nanodots (0-dimensional). Während die optoelektronischen Eigenschaften der oben genannten Verbindungen schon sehr gut erforscht und verstanden sind, ist die lineare Kettenform von Kohlenstoff – das sog. Carbin (1-dimensional) – aufgrund der schwierigen synthetischen Zugänglichkeit und seiner Instabilität nur unzureichend charakterisiert. Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Lehrstuhls für Physikalische Chemie I der FAU,  des Departments für Chemie der University of Alberta, Canada und der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz ist es nun gelungen, einen wichtigen Beitrag zu leisten, hin zu einem tiefergreifenden Verständnis der photophysikalischen Eigenschaften des Kohlenstoffallotrops Carbin. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der jüngsten Ausgabe der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Nature Communications“ der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.*

Carbin ist ein synthetisches Allotrop, das aus einer sehr langen Kette von Kohlenstoffatomen mit alternierenden Dreifach- und Einfachbindungen aufgebaut ist. Carbin werden sehr interessante elektronische und mechanische Eigenschaften zugeschrieben, aber aufgrund der hohen Reaktivität des Kohlenstoffs in dieser Form sind solche langen Ketten äußerst instabil und damit entsprechend schwierig zu charakterisieren. Analoge Ketten definierter Länge können hergestellt und vor Zersetzung geschützt werden, indem man an den Kettenenden große Schutzgruppen als eine Art Stoßstange einbaut. Diese chemisch ausreichend stabile Verbindungklasse wird Oligoine genannt und bildet die Grundlage der Arbeit des Forscherteams. Gelingt es, Oligoine definierter Größe zu studieren und steigert man dabei nach und nach die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Kette, so kann man die erhaltenen Erkenntnisse bis hin zum unendlich langen Carbin extrapolieren und somit indirekt dessen Eigenschaften erforschen.

In einer internationalen Kooperation um Prof. Dr. Dirk M. Guldi (Lehrstuhl für Physikalische Chemie der FAU), Prof. Dr. Clémence Corminboeuf (EPFL, Schweiz), Prof. Rik R. Tykwinski (University of Alberta, Canada; ehemals Lehrstuhl für Organische Chemie I der FAU) und Prof. Dr. Holger Frauenrath (EPFL, Schweiz), ist es den Wissenschaftlern durch ein Zusammenspiel von organischer Synthese, zeitaufgelöster Spektroskopiemethoden, theoretischer Berechnungen und Symmetriebetrachtungen gelungen, bisherige Annahmen hinsichtlich der photophysikalischen Eigenschaften von Oligoinen und damit auch von Carbin zu hinterfragen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Es wurden zunächst gezielt zwei Serien von Oligoinen unterschiedlicher Symmetrie und mit verschiedenen Endgruppen mit bis zu 24 alternierenden Dreifach- und Einfachbindungen synthetisiert. Im Anschluss daran wurden mittels stationärer und transienter Spektroskopie die Deaktivierungsprozesse der jeweiligen Moleküle von der Anregung durch Licht bis hin zur vollständigen Relaxation verfolgt. Die erhaltenen Daten wurden dann mittels theoretischer Berechnungen verifiziert. Die Gesamtheit aller, aus diesen wissenschaftlichen Methoden, erhaltenen Informationen ermöglichte es dann, den gesamten Deaktivierungsweg der Oligoine aus angeregten Zuständen zurück in den Grundzustand mechanistisch zu erfassen. Schließlich konnte durch Extrapolation der gewonnen Daten, eine Vorhersage über die Eigenschaften des Allotrops Carbin, wie zum Beispiel dessen optischer Bandlücke, getroffen werden. Und zwar erwies sich diese Bandlücke, die für viele Anwendungen sehr wichtig ist, dabei als deutlich kleiner als bisher angenommen.

Die Forscher erhoffen sich, dass die Ergebnisse ihrer Arbeit noch genauere experimentelle Vorhersagen der photophysikalischen Eigenschaften ausgedehnter, 1-dimensionaler Kohlenstoffstrukturen erlauben und man so zukünftig noch zielgerichteter an der Herstellung von Materialien mit neuartigen und maßgeschneiderten Eigenschaften arbeiten kann.

*doi: 10.1038/s41467-020-18496-4

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Dirk Guldi

Department Chemie und Pharmazie
Lehrstuhl für Physikalische Chemie I