Frank Würthner, Leiter des Lehrstuhls für Organische Chemie II und des Zentrums für Nanosystemchemie an der Universität Würzburg, verfolgt ein ehrgeiziges Ziel: Er möchte Schwarzite synthetisieren, neuartige Nano-Materialien aus Kohlenstoff mit einzigartigen Eigenschaften. Aller Voraussicht nach können diese Materialien zukünftig als dreidimensional leitfähige poröse Kohlenstoffnanoröhren- und Graphen-Analoga für innovative Batterien oder als Filtersysteme für Gase und Flüssigkeiten verwendet werden.
Die Schwarzite sind nach dem deutschen Mathematiker Hermann Schwarz benannt, der solche dreidimensionalen periodischen Strukturen mit großer Oberfläche und geringem Gewicht bereits um 1880 theoretisch beschrieben hat. Bei der Theorie ist es bislang aber weitgehend geblieben: „Die Synthese von aus sp2-hybridisiertem Kohlenstoff aufgebauten Schwarziten ist eine enorme Herausforderung, und darum haben Chemiker diesen Kohlenstoffmaterialien bisher nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt“, sagt Frank Würthner.
Dem Team des Chemieprofessors könnte die schwierige Synthese aber gelingen. Davon geht auch der Europäische Forschungsrat ERC aus: Er hat einen entsprechenden Projektantrag bewilligt und Frank Würthner einen ERC Advanced Grant in Höhe von 2,5 Millionen Euro zugesprochen. Das neue Projekt heißt „Supramolecular Approach to Schwarzite Carbon Materials” (SCHWARZITE) und geht über fünf Jahre.
Wofür Advanced Grants vergeben werden
Mit Advanced Grants zeichnet der Europäische Forschungsrat exzellente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus, die mit herausragenden Leistungen in der Forschungscommunity verankert sind. Das Preisgeld dient dazu, innovative Projekte voranzubringen.
Seinen ersten ERC Advanced Grant erhielt Frank Würthner 2018 für ein Projekt, das sich um die Umwandlung von Sonnenenergie in Brennstoffe wie Wasserstoff drehte. Dabei hat sein Team Katalysatoren entwickelt, die den ersten, schwierigen Schritt einer künstlichen Photosynthese bewerkstelligen können – die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.
Was Schwarzite so besonders macht
Schwarzite unterscheiden sich von anderen Kohlenstoffstrukturen wie Nanoröhren und Graphen dadurch, dass ihr Elektronensystem in drei Dimensionen delokalisiert ist. Damit dürften sie elektrischen Strom praktisch ohne Widerstand leiten.
„Vielleicht haben sie zusätzlich sogar topologische Transporteigenschaften, das würde eine komplett neue Physik ermöglichen“, sagt Würthner. Tatsächlich haben theoretische Physiker für einige Schwarzitstrukturen bereits die Präsenz von Dirac-Kegeln vorhergesagt, die als Voraussetzung für solche Eigenschaften gelten.
Ein erfolgversprechendes Konzept, wie Schwarzite hergestellt werden könnten, wurde 2022 in Würthners Labor entwickelt. Es ist die Basis für den erfolgreichen Antrag beim ERC.
Das Konzept gründet auf dem Einbau von Heptagoneinheiten in ansonsten aus Hexagonen aufgebauten Nanographenstrukturen. Diese bewirken eine sattelförmige Krümmung der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, wie sie in den aus Sechsecken und Siebenecken aufgebauten Schwarziten vorliegen. In den Würzburger Laboren gelang es bereits, solche Nanographenmoleküle in einer perfekten schwarzitähnlichen Anordnung um C60-Fullerene herum zu gruppieren.
Nach dieser Vorgehensweise sollen nun ausgedehntere heptagonhaltige Nanographene hergestellt, charakterisiert und chemisch modifiziert werden. Ziel ist es, diese dann in schwarzitähnliche dreidimensional pi-konjugierte Materialien zu polymerisieren. Die funktionellen Eigenschaften und Anwendungen dieser neuartigen Materialien werden dann am Zentrum für Nanosystemchemie untersucht, das im Jahr 2016 vom Freistaat Bayern in einem Neubau die erforderliche technische Ausstattung für die Erforschung neuer High-Tech-Energiematerialien erhielt.
Über Frank Würthner
Frank Würthner, Jahrgang 1964, entwickelt Nanomaterialien für Anwendungen in der organischen Elektronik und Solartechnologie. An der Julius-Maximilians-Universität Würzburg leitet er seit 2002 den Lehrstuhl für Organische Chemie II und das 2010 gegründete Zentrum für Nanosystemchemie. Der Freistaat Bayern fördert seine Arbeiten seit 2012 unter anderem im Forschungsprogramm „Solar Technologies go Hybrid“ (SolTech).

Weblinks
Webseite  von Professor Frank Würthner
ERC Grants an der Uni Würzburg