Neue Chemie: Forschungsteam erzeugt bisher nicht nachgewiesene Kohlenstoffverbindungen
Kohlenstoff ist als Element allgegenwärtig. Es bildet die Grundlage für das Leben sowie zahlreiche organische Verbindungen – aktuell sind mehr als zehn Millionen von ihnen bekannt. Kohlenstoff in Reinform kann diverse Strukturen wie etwa in Graphit und Graphen oder Diamant annehmen. In Kombination mit anderen Bindungspartnern entstehen komplexe Moleküle. Einem Team von Chemiker:innen gelang es nun, zwei neue Varianten der einfachsten Kohlenstoffverbindung zu entdecken, den Carbiden. Diese beiden neu nachgewiesenen Carbide entstanden unter hohem Druck und geben Einblicke in das Verhalten von Kohlenstoff unter Hochdruck sowie den möglichen Ursprung organischer Moleküle im Weltall.
Neuartige Carbidverbindungen entdeckt
In Carbiden sind Kohlenstoffatome an lediglich einen Bindungspartner gebunden. Meistens handelt es sich dabei um ein Metall. Aus dieser Verbindung resultieren Moleküle, die in der Regel entweder gerade oder hantelförmig sind und eine relativ geringe Komplexität aufweisen.
Allerdings könnte dies ein Irrtum sein, wie andere chemische Modelle nahelegen. „Sie deuten darauf hin, dass hoher Druck die Bindungsmuster der Carbide verändern kann und so neue Verbindungen mit ungewöhnlichen Struktureinheiten und Eigenschaften entstehen„, erklärt das Team rund um Saiana Khandarkhaeva, das die neuen Verbindungen entdeckt hat. Die entsprechenden Experimente fanden in einer Diamantsempelzelle unter hohem Druck statt. Die Chemiker:innen setzten Calciumcarbid Drücken von bis zu 150 Gigapascal aus und erhitzten die Moleküle mittels mehrerer Laser auf eine Temperatur von 3.000 Grad.
Einzigartige Struktur in neuen Verbindungen
Dabei zeigte sich, dass das Calciumcarbid bei zunehmenden Druck erst transparent wurde und dann eine dunkle, undurchsichtige Färbung einnahm. Bei rund 44 Gigapascal, so zeigten spätere Analysen, entstannd eine bisher unbekannte Strukturform des Calciumcarbids. Es handelte sich um eine Art Polymer mit Kohlenstoffringen, der unendliche Nanostreifen aus planaren, miteinander verbundenen sechsteiligen Ringen bildete.
Diese Struktur aus sechsatomigen Kohlenstoffringen wechselten sich in dem Carbid unter Hochdruck mit Schichten aus Calciumatomen ab. Die Forscher:innen berechneten die Elektronendichte in der neuen Strukturform und kamen zu dem Schluss, dass zwischen den Kohlenstoffatomen wahrscheinlich starke kovalente Bindungen herrschen, während die Calciumatome über Ionenbindungen miteinander verknüpft sind. In der Gesamtschau verhält sich das Hochdruck-Carbid allerdings wie ein Metall.
Neues Halbleitermaterial?
In den Hochdruckproben ließ sich außerdem ein weiteren neuartiges Carbid nachweisen. In diesem Carbid bilden Kohlenstoffatome polymere, nichtplanare Ketten aus fünf – und sechsatomigen Ringen. Zwischen diesen Ringen liegen wiederum Calciumatome. Das Team berichtet, dass es sich bei dem zweiten neuen Carbid um einen Halbleiter handel könnte.
„Unseres Wissens nach wurde ein solches Polycarbid zuvor für keines der in der anorganischen Chemie bekannten Metallcarbide vorhergesagt oder nachgewiesen„, so das Team. Derartige Strukturen sind eigentlich nur aus der organischen Chemie bekannt.
Sind diese Strukturen wichtig für die Entstehung von Leben?
Die strukturellen Ähnlichkeiten zwischen den beiden Hochdruck-Carbiden und metallorganischen Verbindungen, die ihren Wasserstoffatomen beraubt wurden, könnten darauf hindeuten, dass es sich um Materialien handelt, die außergewöhnliche elektronische, optische und magnetische Eigenschaften aufweisen.
Außerdem lassen die neu entdeckten Hochdruck-Moleküle Rückschlüsse darauf zu, wie sich Kohlenstoff unter extremeren Bedingungen verhält. „Sie bieten damit eine neue Perspektive darauf, wie komplexe Kohlenstoffstrukturen in der Tiefe der Erde und möglicherweise in anderen planetarischen Körpern existieren könnten„, so Leonid Dubrovinsky von der Universität Bayreuth, Seniorautor der Studie. Aus derartigen Polycarbiden könnten im Weltall dann polyzyklische Kohlenwasserstoffe entstehen, die in der Vergangenheit etwa in kalten Molekülwolken und fernen Galaxien nachgewiesen werden könnten. Die Forscher:innen vermuten, dass diverse für die Entstehung von Leben nötige organische Moleküle aus derartigen Polycarbiden entstanden sen könnten.
