Kohlenstoff-Jet-Experiment

Astrophysikalische Motivation

• Bisher wurden etwa 175 verschiedene Moleküle im interstellaren Medium und in der Umgebung von Sternen entdeckt, die überwältigende Mehrheit dieser Verbindungen enthält Kohlenstoffatome. In einer Vielzahl extrasolarer Quellen, z.B. in Kometenschweifen und in den Hüllen von Kohlenstoffsternen, wurden sogar Moleküle detektiert, die auschließlich aus Kohlenstoff bestehen (sog. Kohlenstoff-Cluster). Kohlenstoff-Cluster kommen auf der Erde natürlicherweise nicht vor, können jedoch im Labor in Überschall-Jets gebildet werden, in denen Druck und Temperatur sehr niedrig sind.

Anwendungen in der Materialforschung

• Fullerenbildung
  Fullerene sind neben Graphit und Diamant die dritte stabile Modifikation von Kohlenstoff. Ihr genauer Bildungsprozess ist jedoch bisher ungeklärt. Sie können in vielen verschiedenen Strukturen auftreten (z.B. Kohlenstoff-Nanotubes) und weisen somit eine große Vielfalt an elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften auf.

• Herstellung künstlicher Diamanten
  Bei dem sog. CVD-Verfahren ("Chemical Vapour Deposition") zur Herstellung künstlicher Diamanten wird in einer Vakuumkammer eine einige Mikrometer dicke CVD-Diamantschicht auf den Substraten, zum Beispiel Hartmetallwerkzeugen, abgeschieden.

Theoretische Berechnungen der Struktur reiner Kohlenstoff-Cluster ergeben in Abhängigkeit von der Molekülgröße sehr unterschiedliche Clustergeometrien:

• C_n ≤ 10
  Kleine Clustern mit weniger als 10 Kohlenstoffatomen weisen in der Regel eine lineare Form auf. Ab n = 4 existieren jedoch auch zyklische Formen, die es aus Gründen des Gesamtspins der Molekülorbitale grundsätzlich nur für gerade Atomanzahlen gibt (also C₄, C₆, C₈, C₁₀, während C₅, C₇ und C₉ ... nicht stabil sind).

• 10 ≤ C_n ≤ 30
  In diesem Bereich dominieren die zyklischen Strukturen, die je nach Atomanzahl auch aus mehreren miteinander verbundenen Ringen bestehen können. Ab einem n von ca. 20 erwartet man darüberhinaus neben den planaren Ringstrukturen auch dreidimensionale schüsselähnliche Strukturen.

• C_n ≥ 30
  Bei einer Molekülgröße über 30 Atomen können sich geschlossene dreidimensionale Formen bilden, die sog. Fullerene. Damit diese Moleküle stabil sind, müssen sie sich aus mindestens 12 Kohlenstoff-Pentagonen sowie einer belieben Anzahl von Hexagonen zusammensetzen. C₆₀ ist somit das kleinstmögliche Fulleren.