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Buckminster-Sandwichstrukturen bringen die Materialwissenschaft voran

In den letzten zehn Jahren eröffneten zweidimensionale Materialien in der Werkstoffwissenschaft völlig neue Möglichkeiten. Nun trugen EU-Geldmittel dazu bei, verschiedene Strukturen zu suspendierten Buckminster-Sandwichstrukturen zu kombinieren, die interessante, näher zu untersuchende Eigenschaften aufweisen.
Buckminster-Sandwichstrukturen bringen die Materialwissenschaft voran
Wissenschaftler schufen eine neue Struktur, indem sie eine einzelne Schicht von Fullerenmolekülen zwischen zwei Graphenschichten einkapselten. Das EU-finanzierte Projekt PICOMAT trug dazu bei, die ersten direkten Bilder einer suspendierten 0D/2D-Heterostruktur zu erzeugen. Wie die Projektforscher in einer in „Science Advances“ veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeit beschreiben, besteht diese suspendierte Buckminster-Sandwichstruktur aus Molekülen mit der Summenformel C60 (Buckminster-Fullerenen oder „Buckyballs“) zwischen zwei Graphenschichten.

Sie berichten, dass sie „saubere und geordnete C60-Inseln fanden, die stellenweise nur ein einzelnes Molekül dick waren und von Graphenschichten vom Mikroskopvakuum abgeschirmt wurden“. Die Forscher fügen hinzu, dass das Material während der Untersuchung mit dem Rastertransmissionselektronenmikroskop teilweise vor Strahlungsschäden geschützt sei. Die resultierenden Strukturen enthalten große, auf atomarer Ebene reine Bereiche, was die direkte Untersuchung der C60-Inseln mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop ermöglicht.

Ein neues Zeitalter der Kohlenstoffforschung

Als eines der vielseitigsten Elemente nimmt Kohlenstoff in der Materialwissenschaft seit vielen Jahren eine zentrale Stellung ein. Er besitzt mehrere Allotrope verschiedener Dimensionalität und weist verschiedene Bindungsgeometrien auf, weshalb ihm in der Wissenschaft viel Aufmerksamkeit zuteil wird. Im Jahr 1991 wurden eindimensionale Kohlenstoffnanoröhren interessant, und seit 2004 experimentieren Forscher mit dem zweidimensionalen Kohlenstoffallotrop Graphen. Verschiedene Kombinationen von Kohlenstoffallotropen wie etwa mit Fullerenen gefüllte Kohlenstoffnanoröhren oder mit Fullerenen verflochtenes Graphit wurden bereits hergestellt.

Was die in PICOMAT (Picometer scale insight and manipulation of novel materials) geleistete Forschungsarbeit interessant macht, ist, dass die Wissenschaftler mit Herstellung des Fulleren-Graphen-Systems ein neues Material geschaffen haben, das eine Lücke zwischen den verfügbaren Kombinationen hybrider Kohlenstoffheterostrukturen schließt. Da die Graphen-Sandwichstruktur eine Nano-Reaktionskammer und eine saubere Schnittstelle zum Mikroskopvakuum liefert, kann mit dem Rastertransmissionselektronenmikroskop die Molekulardynamik untersucht werden. Die Forscher an der Universität Wien erwarten, dass dies neue Ansätze zur Untersuchung der Strukturierung anderer Moleküle eröffnen könnte, die auf ähnliche Weise verkapselt sind.

Wie wird eine Sandwichstruktur erstellt?

Die Forscher stellten Sandwichstrukturen her, indem sie das C60 erwärmten und auf kommerziell erhältliche, mit Graphen beschichtete TEM-Grids (Trägergitter für Transmissionselektronenmikroskope) dampften. Anschließend platzierten sie ein weiteres graphenbeschichtetes Grid auf dem ersten Grid und brachten die beiden Schichten in Kontakt, indem sie einen Tropfen Lösemittel aufdampften. Im Gegensatz zu einer einzelnen Graphenschicht enthalten diese Sandwichstrukturen auch Fulleren-Monoschichten, deren Kanten den nicht-linearen Bildkontrast des Moiré-Musters der suspendierten Graphenschichten aufweisen.

Praktische Anwendungen

Die Forscher erklären, dass man sich von Buckminster-Sandwichstrukturen hybridisierte Eigenschaften erhofft, die sich für Anwendungen eignen könnten, die von nanoskaligen Lasern bis hin zu Spin-Qubit-Arrays und mechanischen Elementen in Nanogröße reichen könnten. Außerdem weisen sie darauf hin, dass diese Strukturen durch Alkali-Metall-Interkalation zu Hochtemperatur-Supraleitern werden könnten.

Weitere Informationen:
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Quelle: Gestützt auf Projektinformationen und Medienberichte

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