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Funktionale Kohlenstoff Allotrope

Bei der Entwicklung neuartiger, leistungsstarker Werkstoffe innerhalb des Zentrum für Neue Materialien und Prozesstechnik ist den neuartigen, synthetischen Kohlenstoffallotropen – Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphen – eine zentrale Rolle zuzuschreiben. Auf Grund ihrer außergewöhnlichen elektronischen und mechanischen Eigenschaften wären beide Kohlenstoffmodifikationen vielversprechende integrale Komponenten in zukünftigen Hochtechnologieanwendungen. Beide polydispersen Materialien sind jedoch ohne chemische Modifizierung der Oberflächen kaum prozessierbar, da sie sowohl in wässrigen Medien als auch organischen Lösungsmitteln intrinsisch unlöslich sind. Die Gruppe „Funktionale Kohlenstoffallotrope“ unter der Führung von Prof. Dr. Andreas Hirsch und Dr. Frank Hauke beschäftigt sich mit der grundlegenden chemischen Modifikation beider Kohlenstoffallotrope, sowohl mittels supramolekularer Selbstorganisation (nichtkovalente Funktionalisierung), als auch mittels direkter Derivatisierung der entsprechenden Kohlenstoffgrundgerüste (kovalente Funktionalisierung). Neben der grundlagenwissenschaftlichen Erforschung der Reaktivitätsmuster steht auch die Modulation der Material- und Oberflächeneigenschaften dieser neuen Kohlenstoffmodifikationen im Mittelpunkt. Die gezielte Implementierung von funktionalen Ankergruppen dient hierbei als Schlüsselschritt zur Anbindung weiterer molekularer Bausteine (Fullerene, Porphyrine, Dendrimere, Calixarene) und somit zu einer Kombination des Eigenschaftsprofils von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen mit den Stoffcharakteristika anderer Stoffgruppen.

Graphen – eine Lage des hexagonalen Kohlenstoffnetzwerkes des Graphits – lässt sich durch geeignete Aktivierung und Exfoliierung der einzelnen Graphitlagen aus diesem ubiquitär verfügbaren Ausgangsmaterial darstellen. Dabei bilden sich Graphenflocken unterschiedlicher Größe und zusätzlich neben dem gewünschten einlagigen Kohlenstoffnetzwerk werden auch Flocken mit höherer Lagenzahl gebildet. Diese Polydispersität stellt eine fundamentale Herausforderung für die mikroskopische und spektroskopische Charakterisierung dieser Systeme dar. Bei Kohlenstoffnanoröhren geht die Polydispersität noch über die pure „Molekülgröße“ hinaus, da sich das Material aus Einzelröhren unterschiedlicher Länge, variierender Durchmesser und verschiedener Chiralitäten (Aufrollrichtung der einzelnen Graphenlage zur Röhre) zusammensetzt. Gerade der letzte Punkt hat aber einen fundamentalen Einfluss auf die intrinsische elektronische Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren, so dass man entweder halbleitende und metallisch leitende Systeme erhält. Somit liegt ein weiterer Fokus der Arbeitsgruppe „Funktionale Kohlenstoffallotrope“ neben der chemischen Modifizierung auch der Trennung der polydispersen Gemische um so ein einheitliches Eigenschaftsprofil zu erschließen.

Der dritte Forschungsschwerpunkt liegt auf der eingehenden Charakterisierung der funktionalen Kohlenstoffallotrope, die nur durch den interdisziplinären Einsatz einer Vielzahl komplementärer spektroskopischer und mikroskopischer Analysenmethoden möglich wird.

Die Arbeiten der Forschungsgruppe „Funktionale Kohlenstoffallotrope“ sind thematisch fest in einer Reihe von DFG-Einzelprojekten, im BMBF-Verbundprojekt „Skalagraph“, im „Advanced Investigator Grant“ – GRAPHENOCHEM – des ERC, im SFB 583 „Redoxaktive Metallkomplexe: Reaktivitätssteuerung durch Molekulare Architekturen“ sowie dem Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ verankert.