Geschichtete Fußbälle: Erstes zweidimensionales organisches Metall aus Fullerenen

11.06.2010 - Japan

Seit ihrer Entdeckung Mitte der 1980er Jahre haben Fullerene Furore gemacht. Die winzigen Hohlkugeln aus 60 Kohlenstoffatomen, die wie Miniaturfußbälle aus Sechs- und Fünfringen aufgebaut sind, haben außergewöhnliche physikalische Eigenschaften. Inzwischen wurde eine ganze Reihe fullerenhaltiger Materialien entwickelt. Nun kommt eine neue Variante hinzu: Ein russisch-japanisches Team hat das erste Material aus zweidimensionalen Fulleren-Schichten hergestellt, das sich wie ein Metall verhält. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, könnte diese neue Verbindungklasse den Weg zu neuartigen supraleitenden Materialien eröffnen.

Alle bisherigen fullerenhaltigen Kristalle mit metallischen Eigenschaften waren ein- oder dreidimensionale Strukturen und enthielten metallische Elemente. Dmitri V. Konarev, Gunzi Saito und ihre Kollegen aus Chernogolovka, Kyoto und Nagoya hatten nun den Ehrgeiz, ein metallisch leitfähiges Fulleren-„Salz“ zu schaffen, das zweidimensionale Fullerenschichten enthalten sollte. Zudem sollte es frei von Metallionen sein und nur die leichten Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff enthalten.

Damit das klappt, sind drei verschiedene Komponenten notwendig: 1) Fulleren-Anionen, also negativ geladene „Minifußbälle“, 2) positiv geladene organische Gegenionen (Kationen) sowie 3) große neutrale organische Moleküle. Partner 2, die Kationen, sind für die Aufrechterhaltung der richtigen Verteilung der elektrischen Ladung innerhalb des Materials zuständig. Die neutrale Verbindung 3 hat die Aufgabe, die räumliche Anordnung der einzelnen Bausteine in der Kristallstruktur sicherzustellen.

Das Problem: Normalerweise neigen Fulleren-Anionen in einem Kristall dazu, Dimere zu bilden. Damit sich das Material metallisch verhalten kann, müssen die Fulleren-Anionen aber dicht an dicht gepackt in ihrer Schicht vorliegen. Nur wenn die Geometrie und die Größe des neutralen Partners genau passen, klappt das. Das Team wählte Triptycen als neutralen Baustein, ein aromatisches Ringsystem, dessen Form an einen dreiflügeligen Propeller erinnert. Das verwendete organische Kation hat eine käfigartige Struktur.

So entsteht ein Kristall, in dem sich Fulleren-Schichten mit Schichten aus den beiden anderen Partnern abwechseln. Die Fulleren-Schicht hat eine wabenartige Struktur, in der jeder kleine, negativ geladene „Fußball“ sechs nächste Nachbarn hat. Die Fulleren-Schichten sind hoch leitfähig wie ein Metall - sogar bis hinunter zu Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (1,9 K), was sehr ungewöhnlich ist.

Weitere Materialien diese Klasse ließen sich durch eine Variation der einzelnen Partner herstellen. Die Forscher erwarten, dass sich dabei Materialien mit exotischen elektronischen Eigenschaften finden lassen, etwa neuartige Supraleiter und so genannte Spin-Flüssigkeiten, Stoffe, die am absoluten Nullpunkt einen ungewöhnlichen magnetischen Zustand zeigen sollen.

Originalveröffentlichung: Dimitri Konarev et al.; "Two-Dimensional Organic Metal Based on Fullerene"; Angewandte Chemie 2010

https://www.chemie.de/news/118773/geschichtete-fussbaelle-erstes-zweidimensionales-organisches-metall-aus-fullerenen.html