Magnetischer Kohlenstoff

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Normalerweise sind die Modifikationen des reinen Kohlenstoffs wie Diamant oder Graphit nicht magnetisch. Doch einem Forscherteam ist es nun gelungen, einen Magneten allein aus diesem Element herzustellen, ohne zusätzlich magnetische Metall-Verunreinigungen einzubringen. Dabei dienen so genannte Fullerene, fußballartige Moleküle, als Grundgerüst für das auch bei Raumtemperatur magnetische Material.

Thorsten Krome

Kohlenstoff-Magnet — © Tatiana Makarova (Ausschnitt)

Obwohl Magnete schon seit Jahrhunderten aus Eisenverbindungen hergestellt werden, so gelang es doch erst in den letzten Jahren, organische Magnete zu schaffen, die keine Metalle enthalten. Japanische Forscher fanden beispielsweise im Jahr 1991 eine organische Stickstoff-Sauerstoff-Verbindung, die stark magnetisch ist – mit einem gravierenden Nachteil allerdings: Der Magnetismus zeigte sich nur bei sehr tiefen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Doch die Wissenschaftler gaben die Hoffnung nicht auf, bald ein praktikableres Material auf der Basis des Kohlenstoffs zu finden.

Nun scheint die Suche von Erfolg gekrönt zu sein und zwar zufällig, wie so oft in der Wissenschaft: Tatiana Makarova, eine Physikerin vom Ioffe Physico-Technical Institute in St. Petersburg, versuchte vor zwei Jahren, einen Supraleiter aus polymerisierten Fullerenen herzustellen. Dabei handelt es sich um fußballartige Moleküle, die aus 60 Kohlenstoff-Atomen bestehen. Unter hohem Druck bilden sie eine rhomboedrische Gitterstruktur aus, die ein wenig dem zweidimensionalen Graphitgitter ähnelt. Anders als bei reinen C₆₀-Molekülen, bei denen lediglich schwache Van-der-Waals-Kräfte die einzelnen Bälle zusammenhalten, sind sie hier fest über kovalente Bindungen aneinander gebunden. Die genaue Kristallstruktur hängt dabei vom äußeren Druck und der herrschenden Temperatur ab.

Die Supraleitung erreichten Makarova und ihre Kollegen mit diesen polymerisierten Fullerenen jedenfalls nicht. Dafür stellten sie zu ihrem Erstaunen fest, dass das C₆₀-Polymer selbst bei Ofentemperaturen von bis zu 230 Grad Celsius magnetisch war und noch dazu an Luft stabil. "Wir konnten es nicht glauben und dachten, dass da Verunreinigungen drin sein müssen", erinnert sich Makarova. Doch zahlreiche Tests an vielen hochreinen Proben konnten nun alle Zweifel beseitigen.

Dabei gingen die Forscher äußerst sorgfältig vor, um sicher zu gehen, dass keine magnetischen Verunreinigungen durch Eisen, Nickel oder Cobalt in die C₆₀-Kristalle eindrangen und die Ergebnisse verfälschten. Wenngleich die genaue Ursache des Magnetismus noch ein Rätsel bleibt, so haben die Wissenschaftler doch erste Vermutungen: Demnach sollen strukturelle Defekte oder ungepaarte Elektronenspins, die beim Polymerisationsprozess entstehen, den Ausschlag geben.

Ob sich jedoch C₆₀-Magneten bei technischen Anwendungen durchsetzen können, bleibt ungewiss, da sie noch recht teuer in der Herstellung sind. Nichtsdestotrotz, vielleicht finden sich dank dieser Entdeckung bald auch andere Metall-freie Werkstoffe mit ähnlich nützlichen Eigenschaften.