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Geheimnisvoller amorpher Kohlenstoff: Warum ist seine Struktur so einzigartig?
In den Materialwissenschaften und der modernen Chemie hat amorpher Kohlenstoff als besondere Form des Kohlenstoffs die Aufmerksamkeit unzähliger Forscher auf sich gezogen. Das Besondere an dieser Art von Kohlenstoff ist, dass er keine kristalline Struktur aufweist, was ihn zu einem sehr flexiblen und veränderlichen Material macht. Amorpher Kohlenstoff wird oft einfach als aC bezeichnet, und in Kombination mit Wasserstoff wird er als aC:H oder hydrierter amorpher Kohlenstoff (HAC) bezeichnet, während tetraedrischer amorpher Kohlenstoff als ta-C bezeichnet wird, auch bekannt als quasi-C:H oder hydriert amorpher Kohlenstoff (HAC). Im Bereich der physikalischen Wissenschaften hat die Untersuchung von amorphem Kohlenstoff eine Vielzahl potenzieller Anwendungen aufgedeckt, von elektronischen Geräten bis hin zur Biomedizin. Die einzigartigen Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff machen ihn zu einem Material, das es wert ist, eingehend erforscht zu werden.
Amorphe Kohlenstoffmaterialien können durch die Verbindung mit Wasserstoff die π-Bindungen an den Ecken eliminieren und so ihre Struktur stabilisieren.
In der Mineralogie wird der Begriff amorpher Kohlenstoff verwendet, um Kohle, aus Karbiden gewonnenen Kohlenstoff und andere unreine Formen von Kohlenstoff zu beschreiben. Bei diesen Substanzen handelt es sich nicht um typischen Graphit oder Diamant. Obwohl diese Materialien kristallographisch nicht vollständig amorph sind, handelt es sich häufig um polykristalline Materialien mit Graphit oder Diamant. In kommerziellen Anwendungen enthält amorpher Kohlenstoff häufig auch andere Elemente, die erhebliche kristalline Verunreinigungen bilden können, was die Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff weiter erschwert.
Mit der Entwicklung moderner Dünnschichtabscheidungs- und Wachstumstechnologien in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, wie z. B. chemischer Gasphasenabscheidung, Sputterabscheidung und kathodischer Lichtbogenabscheidung, wurden wirklich amorphe Kohlenstoffmaterialien geschaffen. Diese Materialien verfügen über lokalisierte Pi-Elektronen, die im Vergleich zu den aromatischen Pi-Bindungen von Graphit nicht in einheitlichen Längen wie andere Kohlenstoffallotrope gebildet werden. Amorpher Kohlenstoff enthält außerdem relativ viele freie Bindungen, die zu Abweichungen der interatomaren Abstände von mehr als 5 % führen können, und es können auch erhebliche Änderungen der Bindungswinkel beobachtet werden.
Die Eigenschaften amorpher Kohlenstofffilme variieren je nach den bei der Abscheidung verwendeten Parametern.
Die Hauptcharakterisierungsmethode für amorphen Kohlenstoff besteht darin, das Verhältnis der gemischten sp2- und sp3-Bindungen im Material zu messen. Graphit besteht vollständig aus sp2-Mischbindungen, während Diamant vollständig aus sp3-Mischbindungen besteht. Wenn der Anteil an sp3-Mischbindungen im Material hoch ist, wird diese Art von amorphem Kohlenstoff auch tetraedrischer amorpher Kohlenstoff oder diamantähnlicher Kohlenstoff genannt. Dies liegt daran, dass diese Art von Material aufgrund der durch sp3-Mischbindungen gebildeten vierseitigen Form viele physikalische Eigenschaften aufweist, die denen von Diamanten ähneln. Experimentell kann das Verhältnis von sp2 zu sp3 durch Vergleich der relativen Intensitäten verschiedener Spektralpeaks, einschließlich EELS-, XPS- und Raman-Spektren, bestimmt werden.
Obwohl die eindimensionale Eigenschaftsänderung amorpher Kohlenstoffmaterialien zwischen Graphit und Diamant anhand des Verhältnisses von sp2 zu sp3 gezeigt werden kann, ist diese Aussage interessanterweise nicht wahr. Aktuelle Forschungsergebnisse liefern Einblicke in die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten amorpher Kohlenstoffmaterialien. Es kann nicht außer Acht gelassen werden, dass PAK und Teer in großen Mengen in hydrierten Kohlenstoffbestandteilen des täglichen Lebens (z. B. Rauch, Schornsteinstaub, abgebauten Kohlen wie Bitumen und Anthrazit) vorhanden sind und daher fast alle krebserregend sind.
Darüber hinaus hat die Forschung in den letzten Jahren auch ein neues amorphes Kohlenstoffmaterial namens Q-Carbon eingeführt. Q-Kohlenstoff, auch als geglühter Kohlenstoff bezeichnet, soll ferromagnetisch, leitfähig, sogar härter als Diamant und in der Lage sein, Hochtemperatursupraleitung zu demonstrieren. Im Jahr 2015 gaben ein Professor namens Jagdish Narayan und sein Forschungsteam erstmals die Entdeckung von Q-Kohlenstoff bekannt. Sie veröffentlichten zahlreiche Arbeiten zur Synthese und Charakterisierung von Q-Kohlenstoff, doch einige Jahre später wurden die Eigenschaften dieser Substanz noch nicht durch unabhängige Experimente bestätigt.
Den Forschern zufolge weist Q-Kohlenstoff eine zufällige amorphe Struktur auf und ist in sp2- und sp3-Bindungen miteinander verflochten.
Ihr Team verwendete Nanosekunden-Laserimpulse, um den Kohlenstoff zu schmelzen und ihn dann schnell abzukühlen, um Q-Kohlenstoff oder eine Mischung aus Q-Kohlenstoff und Diamant zu bilden. Das Material kann viele Formen annehmen, von nanonadelartigen Strukturen bis hin zu großen Diamantfilmen. Sie berichteten auch über die Herstellung von Materialien wie Nanodiamanten mit Stickstofflücken und Q-Bornitrid sowie über die Entwicklung einer Technologie zur Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant bei Umgebungstemperatur und -druck. Obwohl eine Gruppe von Forschern der University of Texas in Austin im Jahr 2018 mithilfe von Simulationen eine theoretische Erklärung für die Hochtemperatursupraleitung, den Ferromagnetismus und die Härte von Q-Kohlenstoff vorschlug, wurden diese Ergebnisse von anderen nicht bestätigt.
Auf jeden Fall ist die Forschung an amorphem Kohlenstoff weiterhin intensiv und diese spezielle Form des Kohlenstoffmaterials hat großes Potenzial. Wie wird sich die zukünftige Entwicklung auf unser Leben und unsere Technologie auswirken? Vielleicht kann uns nur die Zeit die Antwort geben?
