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2007 | Book

Neue Kohlenstoffmaterialien

Eine Einführung

Author: Dr. rer. nat. Anke Krüger

Publisher: Teubner

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About this book

Ein ganzes Buch über nur ein einzelnes Element zu schreiben, scheint auf den ersten Blick etwas übertrieben, zumal es nicht das erste zum Thema Kohlenstoff ist und vermutlich auch nicht das letzte bleiben wird. Jedoch verdient der Kohlenstoff unsere ganz spezielle Aufme- samkeit, ist er doch eines der bedeutsamsten Elemente auf dieser Erde und essentiell für das Leben auf ihr. Die Chemie des Kohlenstoffs hat ein eigenes Fachgebiet, die Organische C- mie begründet. Diese wird im vorliegenden Buch aber nur dort eine Rolle spielen, wo Or- nische Chemie an neuen Kohlenstoffmaterialien stattfindet. Dieses Lehrbuch soll einen Überblick über die Entwicklungen auf dem Gebiet des Kohl- stoffs liefern, die in den letzten zwanzig Jahren für eine geradezu explosionsartige Ausw- tung der Forschung an neuen Kohlenstoffmaterialien sorgten. Ausgehend von der Ent- ckung der Fullerene hat sich ein völlig neues Arbeitsfeld zwischen Chemie, Physik und Ma- rialwissenschaften eröffnet, welches sich ausschließlich mit diesem einen, dabei aber stets faszinierenden Element und seinen Eigenschaften und Anwendungen beschäftigt. Das vorliegende Buch basiert auf einer einsemestrigen Vorlesung, die ich bereits mehrfach an der Universität Kiel gehalten habe. Der Stoff ist so ausgewählt, dass sowohl Studierende der Chemie und Physik im Hauptstudium als auch angehende Materialwissenschaftler aus den angebotenen Themenbereichen für sie Nützliches auswählen können. Dabei ist das Lehrbuch gleichermaßen zum Selbststudium wie auch als vorlesungsbegleitendes Material geeignet.

Table of Contents

Frontmatter
1. Kohlenstoff — ein Element mit vielen Gesichtern
Auszug
Das sechste Element des Periodensystems ist zugleich eines der wichtigsten. Obwohl es in der Häufigkeitsskala der terrestrisch vorkommenden Elemente mit etwa 180 ppm noch nach Barium oder Schwefel nur an 17. Stelle steht, (zum Vergleich: das mit 27,2 % zweithäufigste Element Silicium liegt in einem Mengenverhältnis von ca. 1300: 1 zum Kohlenstoff vor), ist es doch für den Aufbau jeglicher organischer Materie von essentieller Bedeutung. Insbesondere die Tatsache, dass Kohlenstoff aufgrund seiner Mittellage im Periodensystem sowohl mit elektropositiveren als auch elektronegativeren Bindungspartnern stabile Substanzen bilden kann, prädestiniert ihn für diese zentrale Rolle. Im vorliegenden Buch wird die organische Chemie, die sich aus diesen vielfältigen Reaktionsmöglichkeiten ergibt, jedoch nur dort erwähnt werden, wo sie zur Modifikation der behandelten Kohlenstoffmaterialien eingesetzt wird. Vielmehr steht das Element als Material im Vordergrund.
2. Fullerene — Käfige aus Kohlenstoff
Auszug
Gegenstand dieses Kapitels sind Käfige aus Kohlenstoff, die als molekulare Allotrope die Sichtweise dieses Elementes nachhaltig veränderten. Neben ihrer ästhetischen Struktur zeigen sie interessante physikalische und chemische Eigenschaften, die hier diskutiert werden sollen.
3. Kohlenstoff-Nanoröhren
Auszug
Rollt man ein Blatt Papier auf und fügt die Kanten auf Stoß zusammen, so entsteht eine Röhre. Führt man dieses Experiment in Gedanken mit einer Graphenlage durch, resultiert eine Kohlenstoff-Röhre, eine Struktur, die ausschließlich aus Kohlenstoffatomen besteht und im Inneren einen zylindrischen Hohlraum enthält. Mehrere dieser Röhren mit unterschiedlichem Durchmesser ineinander geschoben ergeben eine mehrwandige Kohlenstoff-Röhre. Ihr Durchmesser, ob ein- oder mehrwandig, liegt im Nanometerbereich, weshalb sie den Namen Kohlenstoff-Nanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) erhielten. Diese faszinierenden Objekte stellen eine weitere Erscheinungsform des Elements Kohlenstoff dar und sollen Thema des nun folgenden Kapitels sein.
4. Kohlenstoffzwiebeln und verwandte Materialien
Auszug
Nachdem wir die Fullerene sowie die ein- und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren kennen gelernt haben, stellt sich nun auch die Frage nach mehrwandigen Fullerenen. Diese konzentrisch ineinander verschachtelten Kohlenstoffkäfige werden auch als Kohlenstoffzwiebeln (engl. carbon onions) bezeichnet. Im Vergleich zu anderen „neuen“ Kohlenstoffmaterialien sind die Zwiebeln weitaus weniger untersucht, was in erster Linie an der Verfügbarkeit nur geringer Mengen des Materials liegt. Dennoch stellen sie eine interessante Strukturvariante des Elementes Kohlenstoff dar. Dieses Kapitel beschäftigt sich mit ihrer Struktur, verschiedenen Herstellungsmethoden und ersten Ergebnissen zu ihren Eigenschaften.
5. Nanodiamant
Auszug
Neben dem natürlich vorkommenden Diamant kennt man inzwischen eine ganze Reihe von Kohlenstoffmaterialien, die ebenfalls Diamantstruktur besitzen. Dazu zählen die durch hohen Druck und hohe Temperatur erzeugten künstlichen Diamanten, aber auch Filme, polykristalline Materialien, die den carbonados ähneln (s. Kap. 1.3.2), sowie der sog. Nanodiamant.
6. Diamantfilme
Auszug
Die bemerkenswerten Eigenschaften des Diamanten machen ihn zu einem begehrten Werkstoff. Viele Anwendungen erfordern jedoch eine bestimmte Form und damit ausgiebige Bearbeitung des Werkstücks — ein aufgrund der enormen Härte und des spröden Charakters schwieriges und kostspieliges Unterfangen, wenn man von natürlichen oder künstlich hergestellten Diamantstücken ausgeht. Auch die Größe der vorhandenen Diamanten limitiert die Anwendung auf einige wenige Gebiete wie die Anwendung als Schleif- und Poliermittel. Insbesondere aber dünne Schichten mit einer bestimmten Form lassen sich aus Einzelkristalliten nicht herstellen. Daher suchte man bereits sehr früh nach Verfahren, die die Herstellung von Diamantfilmen ermöglichen.
7. Epilog
Auszug
Der Rahmen dieses einführenden Textes erlaubt es nicht, alle neueren Entwicklungen im Bereich der Kohlenstoffmaterialien in voller Breite zu würdigen, da dieses Buch sonst einen nicht zu vertretenden Umfang angenommen hätte. Es ist somit empfehlenswert, im Anschluss an das Studium des vorliegenden Buches die entsprechende Original- und Übersichtsliteratur zu speziellen Erkenntnissen und weiteren Arten von Kohlenstoffmaterialien zu konsultieren. Eine Vielzahl von Substanzen und Prinzipien wartet dort darauf, entdeckt zu werden. In diesen Arbeiten finden sich auch zahlreiche Ideen und Hinweise, in welche Richtung die Entwicklung gehen wird. Wie sieht nun die Zukunft im Bereich der Kohlenstoffmaterialien aus?
8. Weiterführende Literatur und Abbildungsnachweis
Auszug
Um einen tieferen Einblick in das Gebiet der Kohlenstoffmaterialien zu erhalten, ist es sinnvoll, sich in Spezialwerken über weitere Eigenschaften und Anwendungen zu informieren. Die folgende Auswahl weiterführender Arbeiten stellt nur einen kleinen Ausschnitt der verfügbaren Fach- und Übersichtsliteratur dar. Es existieren zahlreiche weitere hervorragende Bücher und Reviews, die einen vertieften Einblick in das Stoffgebiet gewähren, hier aber aus Platzgründen nicht aufgeführt werden können.
Backmatter
Metadata
Title
Neue Kohlenstoffmaterialien
Author
Dr. rer. nat. Anke Krüger
Copyright Year
2007
Publisher
Teubner
Electronic ISBN
978-3-8351-9098-6
Print ISBN
978-3-519-00510-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8351-9098-6

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