Kohlenstoffformen

Kohlenstoffformen, auch Allotrope des Kohlenstoffs genannt, bezeichnet die unterschiedlichen strukturellen Erscheinungsformen des Elements Kohlenstoff. Aus variierenden Anordnungen der Atome ergeben sich charakteristische Eigenschaften. Unter Standardbedingungen ist Graphit die stabilste Form; Diamant ist metastabil und bildet sich unter hohem Druck oder durch spezielle Syntheseverfahren. Neben Graphit und Diamant existieren weitere Formen wie Fullerene, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und amorpher Kohlenstoff.

Diamant besitzt eine tetraedrische Kristallstruktur, in der jedes Kohlenstoffatom kovalent mit vier Nachbarn verbunden ist. Diese Bindungen verleihen Diamant extreme Härte, hohe Wärmeleitfähigkeit und eine breite Bandlücke. Diamant kommt natürlicherweise in der Erdkruste vor und wird auch synthetisch durch Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren (HPHT) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt.

Graphit besteht aus flachen, hexagonal angeordneten Schichten aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Die Schichten sind durch schwache van-der-Waals-Kräfte verbunden, wodurch Graphit schichtweise reibungsarm ist. Elektrische Leitfähigkeit verläuft vor allem innerhalb der Ebenen. Graphit findet Verwendung in Schmiermitteln, Bleistiften, Elektroden und refraktären Materialien.

Zu weiteren Allotromen zählen Fullerene (z. B. C60), Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (ein- oder mehrwandig) sowie amorpher Kohlenstoff wie Ruß, Aktivkohle und Glassy carbon. Graphen ist eine einzelne atomare Schicht mit hoher Festigkeit und exzellenter elektronischer Leitfähigkeit; Fullerene bestehen aus geschlossenen Kohlenstoffmolekülen; Kohlenstoffnanoröhren weisen besondere mechanische und elektronische Eigenschaften.

Die Bildung der Formen hängt von Druck, Temperatur und Reaktionsumgebung ab. In der Natur kommt Graphit häufiger vor, Diamant ist seltener; nanostrukturierte Formen werden überwiegend synthetisch hergestellt. Die Vielfalt der Kohlenstoffformen ermöglicht breite Anwendungen in Industrie, Wissenschaft und Technik.