Vom Bleistift zum Diamanten – Wie aus Kohlenstoff „superharter Graphit“ entsteht

19.07.2012 - Deutschland

Diamanten, Bleistiftminen, Aktivkohle und Ruß bestehen aus dem gleichen Material – aus Kohlenstoff. Allein die Anordnung der Kohlenstoffatome ist die Ursache für die extrem unterschiedlichen Eigenschaften. Forscher um Dr. Stefano Leoni der Technischen Universität Dresden, der Stony Brook University in den U.S.A. und der Staatlichen Universität Moskau in Russland haben die Struktur einer neuen Kohlenstoffkonstruktion, des superharten Graphits, mit Hilfe einer Computersimulation entwickelt.

Die Wissenschaft ist schon lange auf der Suche nach neuen Kohlenstoffformen. So haben in den vergangene Jahren Fullerene (Kohlenstoffbälle), winzige Kohlenstoffröhrchen oder Graphen, eine extrem dünne Kohlenstoffschicht, die die zukünftige Elektronik revolutionieren wird, Schlagzeilen gemacht. Jeder weiß, dass Diamant entsteht, wenn man Graphit einer hohen Temperatur und einem hohem Druck aussetzt. Wird das Experiment jedoch bei Raumtemperatur durchgeführt, entsteht ebenfalls ein transparenter, harter Stoff, der kein Diamant ist, sondern „superhartes Graphit“ genannt wird. Das Experiment wurde auch in jüngster Zeit mehrmals wiederholt. Für eine strukturelle Bestimmung reichte die Auflösung bisher nie.

Dr. Stefano Leoni, Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Theoretische Chemie des Bereiches Physikalische Chemie und Elektrochemie der TU Dresden, und seine Kollegen nutzten eine neue leistungsstarke Computersimulationsmethode, auch bekannt als Transition Path Sampling, um verschiedene Kohlenstoffformen vorherzusagen. Mit besonders leistungsstarken Algorithmen kann ausgerechnet werden, welche Kristallstruktur unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen entstehen und existieren kann. Ein erster Vorschlag kam von Prof. Artem Oganov (Stony Brook Universität, U.S.A.), indem er seine so genannte „evolutionäre Methode“ einsetzte. Der in der Computersimulation neugeborene M-Kohlenstoff passte perfekt zu den Daten der Graphit-Experimente. Der Durchbruch gelang, indem man, anstatt die Computersimulationen auf mögliche Endprodukte des Experiments auszurichten, die mechanistischen Schritte der Entstehung der neuen Kohlenstoffform aufzuklären versuchte. Die Forscher wählten aus den Daten den besten Kandidaten aus – die Kohlenstoffform, die energetisch am günstigsten entstehen kann. „Wenn man die Kohlenstoffkandidaten gegeneinander antreten lässt, entspricht der Gewinner dem tatsächlichen Endprodukt der kalten Kompression von Graphit. Selbstverständlich bleiben die anderen Kohlenstoffmodifikationen allgemeinmögliche Kandidaten. Die Simulationen zeigen allerdings, dass unter den experimentellen Bedingungen, die zur Entdeckung dieses neuen Kohlenstoffes führten, ausschließlich M-Kohlenstoff entstehen kann.“, kommentiert Stefano Leoni die Ergebnisse. „Was für interessante, technologierelevante Eigenschaften dieser M-Kohlenstoff mit sich bringen wird, wissen wir noch nicht. Aber, wie oft in der Wissenschaft, kann sich eine Kuriosität rasch in eine fundamentale Entdeckung entwickeln. Was der Buchstabe „M“ alles an Überraschungen birgt, bleibt allerdings noch zu entdecken.“