Hochdruck-Kohlenstoffchemie Extreme Hitze und Druck: neue Kohlenstoffverbindungen erzeugt

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Unter Extrembedingungen haben Forscher aus Calcium und Kohlenstoff neue Verbindungen synthetisiert, wie sie im Erdinneren oder in anderen Planeten entstehen könnten. Die Ergebnisse könnten helfen, das Vorkommen von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen im Universum zu erklären.

Kohlenstoff hat viele Gesichter. Er ist das Rückgrat nahezu aller Biomoleküle und der Stoff, aus dem Diamanten sind. Und auch die so genannten Carbide gehören zu den Kohlenstoffverbindungen: Strukturen aus Kohlenstoff und einem weiteren chemischen Element. In Zusammenarbeit mit internationalen Institutionen haben Bayreuther Forscher nun zwei Carbide synthetisiert, die metallorganischen Verbindungen ähneln und einen neuen Einblick in das Verhalten komplexer Kohlenstoffstrukturen unter extrem hohem Druck und hohen Temperaturen geben können.

Die mögliche Existenz oder Bildung solcher Verbindungen unter den Bedingungen im Inneren von Planeten könnte wichtige Auswirkungen auf die Geowissenschaften und die Astrobiologie haben, da sie der Ursprung von Kohlenwasserstoffen sein könnten und womöglich eine Rolle bei der Entstehung von Leben spielen.

Druck und Temperatur wie im Erdinnern

Die neu synthetisierten Verbindungen aus Kohlenstoff und Calcium zeigen Strukturelemente, die denen komplexer organischer Moleküle ähneln, jedoch deprotoniert sind, also keinen Wasserstoff enthalten. Hierfür verwendeten die Forschenden Diamantstempelzellen, die winzige Calciumcarbid-Kristalle mit Druck im dreistelligen Gigapascal-Bereich komprimierten und sie gleichzeitig auf Temperaturen von etwa 3.000 °C erhitzten. Diese Bedingungen entsprechen denjenigen in einer Tiefe von 2.900 km im Erdinneren. Durch die Veränderung von Druck und Temperatur entstanden aus dem Calciumcarbid zwei neue Kohlenstoffverbindungen: ein Hochdruck-Polymorph von CaC₂ sowie Ca₃C₇.

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Die zwei neuen Kohlenstoffverbindungen

Das Hochdruck-Polymorph von CaC₂ hat zwar die gleiche chemische Zusammensetzung wie das Ausgangsmaterial, unterscheidet sich davon jedoch in der räumlichen Anordnung der Atome und in den chemischen Eigenschaften. Das Polymorph weist Kohlenstoffketten auf, die unter Bedingungen bestehen können, welche diejenigen weit überschreiten, die für die Existenz von herkömmlichen organischen Verbindungen bekannt sind. Die Bildung solcher Verbindungen unter den Bedingungen im Inneren von Planeten könnte sogar bei der Entstehung von Leben eine Rolle gespielt haben, weil sie der Ursprung von Kohlenwasserstoffen sein könnten.

Die Verbindung mit der chemischen Formel Ca₃C₇ ist neu und wurde bisher noch nie beobachtet. Ihre Synthese und Strukturaufklärung stellt einen bedeutenden Schritt zum Verständnis des Verhaltens von Materialien auf Kohlenstoffbasis unter extremen Bedingungen dar.

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„Unsere Ergebnisse erweitern nicht nur die Grenzen der bekannten Kohlenstoffchemie, sondern bieten auch eine neue Perspektive darauf, wie komplexe Kohlenstoffstrukturen in der Tiefe der Erde und möglicherweise in anderen planetarischen Körpern existieren könnten“, erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut, der leitende Forscher der Studie. „Die Ähnlichkeiten zwischen diesen Hochdruckkarbiden und deprotonierten metallorganischen Verbindungen eröffnen spannende Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger Materialien mit einzigartigen elektronischen, magnetischen und optischen Eigenschaften“, fügt Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth hinzu.

Die Forschungsarbeiten wurden in internationaler Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des Bayerischen Geoinstituts und des Laboratoriums für Kristallographie der Universität Bayreuth, des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), der Universität Köln, der Universität Edinburgh, der Goethe-Universität Frankfurt, der University of Chicago, der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage und der Universität Linköping durchgeführt.

Originalpublikation: Saiana Khandarkhaeva, Timofey Fedotenko, Alena Aslandukova, Fariia Iasmin Akbar, Maxim Bykov, Dominique Laniel, Andrey Aslandukov, Uwe Ruschewitz, Christian Tobeck, Björn Winkler, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Konstantin Glazyrin, Carlotta Giacobbe, Eleanor Lawrence Bright, Maxim Belov, Natalia Dubrovinskaia, and Leonid Dubrovinsky: Extending carbon chemistry at high-pressure by synthesis of CaC2 and Ca3C7 with deprotonated polyacene- and para-poly(indenoindene)-like nanoribbons, Nat commun 15, 2855 (2024); DOI: 10.1038/s41467-024-47138-2

(ID:50014384)