Chinesischen Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, die Syntheselänge eines „Metalldrahts" mit Einzelatomdurchmesser auf die Mikrometer-Skala auszudehnen. Bei proportionaler Skalierung von Durchmesser und Länge entspricht dies einem vier Meter langen Haushaltskupferdraht.
Das Team um Li Kuo vom Beijing High Pressure Science Research Center hat mit einer innovativen Strategie der Hochdruck-Festkörper-Topopolymerisation erstmals international mikrometerlange, atomar dünne und strukturell stabile kohlenstoffumhüllte Einzelmetallatomketten synthetisiert. Die Ergebnisse wurden am 21. August in der internationalen Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Abbildung: Schematische Darstellung des Syntheseprozesses mikrometerlanger kohlenstoffumhüllter Einzelmetallatomketten. (Grafik des Forschungsteams) Einzelmetallatomketten können als der „feinste eindimensionale Metalldraht" der Welt verstanden werden – so dünn, dass ihr Durchmesser nur einem einzelnen Atom entspricht. Sie sind ideale Forschungsobjekte für Wissenschaftler, um die Gesetze der niedrigdimensionalen Physik in der mikroskopischen Welt zu erkunden. „Die Entwicklung dieser Materialien hat jedoch seit langem Schwachstellen: Einige Herstellungsverfahren funktionieren nur unter Ultrahochvakuum-Bedingungen und sind außerhalb dieser Umgebung leicht beschädigt; andere Methoden liefern stabile, massenproduzierbare Proben, aber die Atomketten sind in ihrer Länge begrenzt. Kettenlänge, Stabilität und Massenproduktion sind schwer gleichzeitig zu erreichen, was das Potenzial für grundlegende Forschung und Anwendungen einschränkt", erklärte Li Kuo.
Der größte Durchbruch dieser Arbeit liegt darin, die Herstellungsgrenze von Einzelmetallatomketten auf die Mikrometer-Skala voranzutreiben. Mithilfe der Paris-Edinburgh-Presse stellte das Team massenhaft großflächige Einkristalle aus kohlenstoffbeschichteten Kupfer-Einzelatomketten her. Die Länge einer einzelnen abgelösten Atomkette übersteigt 1 Mikrometer und kann kontinuierlich mehr als 4000 Kupferatome in Reihe schalten – eine Verbesserung um mehr als zwei Größenordnungen gegenüber früheren international hergestellten Probenketten. Dieses Herstellungsverfahren lässt sich zudem auf verschiedene Metalle wie Kobalt, Nickel und Zink ausweiten.
Um diesen extrem feinen atomaren „Metalldraht" zu stabilisieren, schlug das Forschungsteam einen neuen Ansatz vor. „Ähnlich wie man einen empfindlichen dünnen Faden mit einem robusten ‚Schutzrohr' umhüllt, wählten wir β-Kupferphthalocyanin-Kristalle als Ausgangsmaterial. Durch präzise Kompression der Molekülabstände unter Hochdruck und Erreichen kritischer Bedingungen polymerisieren die äußeren Molekülringe des Ausgangsmaterials miteinander und bilden eine dichte, feste kohlenstoffhaltige ‚Schutzhülle', die die innenliegende Reihe gleichmäßig angeordneter Kupferatome fest umschließt und fixiert", erläuterte Li Kuo.
Diese Forschung wurde vom Beijing High Pressure Science Research Center gemeinsam mit der Nankai-Universität, der Peking-Universität und weiteren Einrichtungen durchgeführt. „Ultradünne Metalldrähte im Atommaßstab könnten völlig neue Materialoptionen für die nächste Generation von Nanoschaltkreisen und flexiblen tragbaren Elektronikgeräten bieten und einen neuen Weg für die Entwicklung neuartiger niedrigdimensionaler Funktionsmaterialien in China eröffnen", sagte Mao Ho-Kwang, weltbekannter Hochdruckwissenschaftler und Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.