Kohlenstoffstrukturen

Kohlenstoffstrukturen bezeichnen die verschiedenen Anordnungen des Elements Kohlenstoff, aus denen Allotrophe wie Diamant, Graphit, Graphen, Fullerenen, Kohlenstoffnanoröhren und amorpher Kohlenstoff entstehen. Die Vielfalt ergibt sich vor allem aus unterschiedlichen Bindungstypen: sp3 im Diamant, sp2 in Graphit und Graphen, sowie teils sp in Carbynen. Diese Strukturen bestimmen Härte, Leitfähigkeit und chemische Reaktivität.

Diamant kommt natürlich als Kristall vor und wird auch synthetisch durch Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt. Das sp3-Netzwerk macht Diamant hart, chemisch stabil und thermisch leitfähig; er ist elektrisch isolierend und besitzt eine breite Bandlücke, was ihn in Optik und Präzisionswerkzeugen vorteilhaft macht.

Graphit besteht aus hexagonalen Kohlenstoffschichten, die durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Die Atome sind sp2-hybridisiert; innerhalb der Schichten leiten Elektronen gut, zwischen den Schichten kaum. Graphen ist eine einzelne Schicht dieses Netzes mit außergewöhnlicher Festigkeit, hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie Transparenz. Anwendungen reichen von Elektronik bis zu Verbundwerkstoffen.

Fulleren wie C60 sind kugelförmige Kohlenstoffmoleküle. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) bestehen aus rollendem Graphen und können metallisch oder halbleitend sein. CNTs vereinen hohe Zugfestigkeit bei geringem Gewicht, gute elektrische Leitfähigkeit und große Oberflächen. Sie finden Anwendung in Nanotechnologie, Elektronik, Speicher- und Energietechnik.

Amorphe Kohlenstoffe haben keine regelmäßige Kristallordnung. Beispiele sind Ruß und glasförmiger Kohlenstoff. Eigenschaften variieren stark von isolierenden bis leitfähigen Formen; Porosität und Oberflächenstruktur beeinflussen Nutzung als Beschichtungen, Elektrodenmaterialien oder Adsorptionsmedien.