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Die mysteriöse Geburt von glasartigem Kohlenstoff: Wie hat Bernard Redfern dieses bizarre Material entdeckt?
Glaskohlenstoff, auch als glasartiger Kohlenstoff oder glasartiger Kohlenstoff bekannt, ist ein nicht graphitierbares Kohlenstoffmaterial, das die Eigenschaften von Glas und Keramik mit den Merkmalen von Graphit kombiniert. Zu seinen Haupteigenschaften zählen eine hohe thermische Stabilität, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Härte (7 auf der Mohs-Skala), geringe Dichte, niedriger elektrischer Widerstand, geringe Reibung, extrem hohe Beständigkeit gegen chemische Angriffe und Undurchlässigkeit für Gase und Flüssigkeiten. Dieses Material wird häufig als Elektrodenmaterial in der Elektrochemie, als Hochtemperaturtiegel und als Bestandteil bestimmter Prothesen verwendet. Glasartiger Kohlenstoff kann in verschiedenen Formen, Größen und Querschnitten hergestellt werden, und die Begriffe „Glaskohlenstoff“ und „Glassy Carbon“ wurden als Marken eingetragen, während die IUPAC ihre Verwendung als Fachbegriffe nicht empfiehlt. Mit der Veröffentlichung eines historischen Überblicks über Glaskohlenstoff im Jahr 2021 erregten die Ursprünge dieses Materials große Aufmerksamkeit.
Historischer HintergrundGlaskohlenstoff tauchte erstmals in den Labors der Carborundum Company in Manchester, England, auf, wo er Mitte der 1950er Jahre vom Materialwissenschaftler und Diamanttechnologie-Experten Bernard Redfern entdeckt wurde. Ihm fiel auf, dass das Klebeband, mit dem eine Keramikprobe (Raketendüse) am Ofenboden befestigt wurde, nach dem Sintern in einer inerten Atmosphäre eine ungewöhnliche Struktur annahm und seine ursprüngliche Form beibehielt.
Redfern untersuchte anschließend eine Polymermatrix, um die Diamantstruktur nachzuahmen, und entdeckte ein Phenolharz, das nach einer speziellen Behandlung ohne Katalysator aushärtete. Aus diesem Harz hergestellte Tiegel werden an viele Organisationen verteilt, beispielsweise an UKAEA Harwell. Redfern verließ Carbone jedoch und das Unternehmen beendete offiziell jegliches Interesse an der Erfindung des Glaskohlenstoffs.
Plesseys Entwicklung
Während seiner Arbeit im Plessey-Labor im englischen Towset erhielt Redfern von der UKAEA einen Glaskohlenstofftiegel und erkannte ihn als einen, den er früher hergestellt hatte, da er in den nicht karbonisierten Vorläufer eine Markierung eingraviert hatte. Das Unternehmen richtete Labore in Litchborough ein und errichtete später dauerhafte Einrichtungen in Caswell, Northamptonshire, aus denen Plessey Research Caswell und das Allen Clark Research Centre wurden. Die Entwicklung von Glaskohlenstoff bei Plessey ist eine Selbstverständlichkeit, und obwohl Redferns Beitrag zur Erfindung und Herstellung von Glaskohlenstoff anerkannt wird, sind Hinweise auf ihn in späteren Veröffentlichungen von Cowlard und Lewis nicht offensichtlich.
Redfern reichte am 11. Januar 1960 einen britischen Patentantrag ein und erhielt später am 5. November 1963 das US-Patent 3.109.712A.
Materialeigenschaften und Anwendungen
Glaskohlenstoff weist eine sehr gleichmäßige und vorhersehbare Schrumpfungsrate auf, wodurch im Polymerzustand präzise Passungen hergestellt werden können. Einige der frühen ultrareinen GaAs-Proben wurden in diesen Tiegeln zonengereinigt, da Glaskohlenstoff gegenüber GaAs nicht reagiert. Darüber hinaus weist die Dotierung von Glaskohlenstoff auch Halbleiterphänomene auf.
Seine poröse Form, der sogenannte retikulierte Glaskohlenstoff (RVC), wurde erstmals Mitte der 1960er Jahre als wärmeisolierendes und mikroporöses Glaskohlenstoff-Elektrodenmaterial entwickelt. Diese Eigenschaften machen RVCs in der Elektrochemie sehr nützlich, insbesondere als dreidimensionale Elektroden.
Struktur und elektrochemische Eigenschaften
Die Struktur von Glaskohlenstoff ist seit langem umstritten. Frühe Strukturmodelle gingen von der Existenz sowohl sp2- als auch sp3-gebundener Atome in glasartigem Kohlenstoff aus. Heute weiß man jedoch, dass glasartiger Kohlenstoff vollständig sp2-gebunden ist.
In der Elektrochemie gilt Glaskohlenstoff als inerte Elektrode zur Reduktion von Hydroxidionen in wässrigen Lösungen. Diese Eigenschaften machen es in der Sensorherstellung unverzichtbar. Aufgrund seiner spezifischen Oberflächenausrichtung wird Glaskohlenstoff zur Herstellung verschiedener Arten modifizierter Elektroden verwendet und weist eine gute Stabilität in biokompatiblen Anwendungen wie Zahnimplantaten auf.
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie und der Vertiefung der Materialforschung erweitern und entwickeln sich der Anwendungsbereich und die Technologie von Glaskohlenstoff weiter. Die einzigartige Kombination aus Keramik und glasähnlichen Materialien eröffnet zweifellos unzählige Möglichkeiten in den Bereichen der modernen Wissenschaft und Technik.
Wenn wir noch einmal über den Beitrag dieses Wissenschaftlers und die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten dieses Materials nachdenken, können wir nicht umhin, uns zu fragen: Wie werden zukünftige technologische Innovationen die Art und Weise verändern, wie wir dieses Material verstehen und nutzen?
