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Hochdruck formt ultralangen „Atomdraht“ aus blauem Farbstoff
Atomdraht aus Farbstoff: Unter extremem Druck lässt sich Kupferphthalocyanin, ein Ausgangsstoff des Pigments Phthaloblau, in mikrometerlange Ketten aus einzelnen Kupferatomen umwandeln. Eine Kohlenstoffhülle stabilisiert dabei mehr als 4.000 aneinandergereihte Atome. Messungen und Berechnungen zeigen zudem stark richtungsabhängige elektrische Eigenschaften und Hinweise auf antiferromagnetische Kopplung.
Beijing (China). Metallketten, die nur ein Atom dick sind, markieren die kleinstmögliche Grenze eines metallischen Drahts. Solche Single-Metal-Atom Chains, kurz SMACs, sind für die Physik eindimensionaler Systeme interessant und könnten langfristig auch Bausteine für extrem kleine elektronische Strukturen liefern. Bisher war jedoch schwer, zugleich lange, geordnete und außerhalb einer stützenden Oberfläche stabile Ketten herzustellen.
Ein Team des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) um Dr. Kuo Li hat nun einen anderen Weg erprobt. Als Ausgangsmaterial diente β-Kupferphthalocyanin, kurz β-CuPc. In seinen Kristallen stapeln sich ringförmige Moleküle säulenartig übereinander, während die Kupferionen bereits entlang dieser Stapelrichtung angeordnet sind.
Unter zunehmendem Druck rücken die Moleküle immer enger zusammen. Bei rund 21,5 Gigapascal beginnt nach Angaben des Teams eine Polymerisation der äußeren aromatischen Ringe. Dadurch entsteht ein dichtes Kohlenstoffgerüst, das die im Inneren zusammengedrängten Kupferatome wie eine Hülle einschließt und ihre Anordnung auch nach dem Entlasten stabilisiert. Bereits bei etwa 0,9 Gigapascal verändert der Kristall seine Struktur und nimmt eine Stapelung an, die diese Reaktion begünstigt.
Für größere Proben nutzten die Forscher eine Paris-Edinburgh-Presse und erzeugten bei etwa 40 Gigapascal Kristalle im Milligrammmaßstab. Nach einer säureunterstützten Ultraschallbehandlung ließen sich einzelne Drähte aus dem Kristallverbund herauslösen. Die isolierten Ketten waren mehr als einen Mikrometer lang und enthielten über 4.000 hintereinander angeordnete Kupferatome. Der Abstand benachbarter Kupferatome lag bei rund 2,57 Ångström. Damit übertreffen sie frühere organisch ligandengestützte SMACs in der Länge um mehr als zwei Größenordnungen. Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie bestätigten die geordnete eindimensionale Struktur.
Bemerkenswert ist dabei nicht nur die Länge. Die Kohlenstoffhülle hielt auch mehrstündiger Ultraschallbehandlung und längerer Einwirkung von Trifluoressigsäure stand. Damit lösen die Forscher eines der Grundprobleme freier Atomketten, denn ungeschützte Ketten neigen leicht dazu, sich umzubauen oder zu zerfallen.
Messungen an den größeren Kristallen zeigten außerdem eine ausgeprägte elektrische Richtungsabhängigkeit. Entlang der Ketten unterscheidet sich der Ladungstransport deutlich von dem quer dazu. Experimentelle Daten und Rechnungen deuten zudem auf eindimensionale antiferromagnetische Wechselwirkungen zwischen den dicht gepackten Kupferatomen hin. Die Studie beschreibt damit nicht nur eine ungewöhnlich lange Atomreihe, sondern auch eine Probe, an der sich elektrische und magnetische Eigenschaften überhaupt systematisch messen lassen.
Allerdings scheint der elektrische Strom nach den Berechnungen nicht einfach durch eine metallische Kupferkette im Inneren zu fließen. Einen großen Beitrag liefern demnach Kohlenstofforbitale in der umgebenden Struktur. Die neue Architektur ist deshalb eher ein komplexer atomarer Verbunddraht als eine frei liegende Kupferleitung im klassischen Sinn.
Die Methode könnte über Kupfer hinausreichen. Hochdruckversuche mit Kobalt-, Nickel-, Zink- und metallfreiem Phthalocyanin erzeugten ebenfalls kohlenstoffummantelte eindimensionale Polymerstrukturen. Das spricht dafür, dass die Hochdruck-Polymerisation als allgemeineres Bauprinzip dienen könnte. Ob daraus künftig tatsächlich nutzbare Bauelemente für Nanoelektronik oder Spintronik entstehen, ist jedoch offen. Die dafür nötigen Drücke von mehrere