Kohlenstoff-Jet-Experiment

Warum Spektroskopie an Kohlenstoff-Clustern?

Der Komet Hale-Bopp
Das Buckminsterfulleren, bestehend aus 60 Kohlenstoffatomen
Schematischer Aufbau eines Kohlenstoff-Nanotubes


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.

Struktur und Spektren von Kohlenstoff-Clustern

Struktur von Kohlenstoff-Clustern in Abhängigkeit der Atomzahl (klicken zum Vergrößern)

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

  • Cn ≤ 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 ≤ Cn ≤ 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.

  • Cn ≥ 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.


Weiterführende Literatur

A continuous-wave optical parametric oscillator around 5 µm wavelength for high-resolution spectroscopy
J. Krieg, A. Klemann, I. Gottbehüt, S. Thorwirth, T. F. Giesen, S. Schlemmer
Rev. Sci. Instrum. 82, 063105 (2011)

High-resolution OPO spectroscopy of Si2C3 at 5 µm: Observation of hot band transitions associated with ν3
S. Thorwirth, J. Krieg, V. Lutter, I. Keppeler, S. Schlemmer, M. E. Harding, J. Vázquez, and T. F. Giesen
J. Mol. Spectrosc. 270, 75-78 (2011)

Excitation and abundance of C3 in star forming cores. Herschel/HIFI observations of the sight-lines to W31C and W49N
Mookerjea, B. and Giesen, T. and Stutzki, J. and Cernicharo, J. and Goicoechea, J. R. and de Luca, M. and Bell, T. A. and Gupta, H. and Gerin, M. and Persson, C. M. and Sonnentrucker, P. and Makai, Z. and Black, J. and Boulanger, F. and Coutens, A. and Dartois, E. and Encrenaz, P. and Falgarone, E. and Geballe, T. and Godard, B. and Goldsmith, P. F. and Gry, C. and Hennebelle, P. and Herbst, E. and Hily-Blant, P. and Joblin, C. and Kazmierczak, M. and Kolos, R. and Krelowski, J. and Lis, D. C. and Martin-Pintado, J. and ...
Astron. Astrophys. 521, Art. No. L13 (2010)

The ν5 antisymmetric stretching mode of linear C7 Revisited in High Resolution
J. Krieg, V. Lutter, F.-X. Hardy, S. Schlemmer, and T. F. Giesen
J. Chem. Phys. 132, Art.-No. 224306 (2010)

Sub-millimeter wave spectroscopy of the C3H radical: Ro-vibrational transitions from ground to the lowest bending state
M. Caris, T. F. Giesen, C. Duan, H. S. P. Müller, S. Schlemmer, K. M. T. Yamada
J. Mol. Spectrosc. 253, 99–105 (2009)

High-Resolution Laboratory Terahertz-Spectroscopy and Applications to Astrophysics; in Frontiers of Molecular Spectroscopy
Jaan Laane (ed.), S. Schlemmer, T.F. Giesen, F. Lewen, and G. Winnewisser (2008)

The high resolution infrared spectra of the linear carbon cluster C7: The ν4 stretching fundamental band and associated hot bands
P. Neubauer-Guenther, T.F. Giesen, S. Schlemmer, K.M.T. Yamada, J. Chem. Phys. 127, Art.-No. 014313 (2007)
   
The Cologne Carbon Cluster Experiment: Ro-Vibrational spectroscopy on C8 and other small carbon clusters,
P. Neubauer-Guenther, T.F. Giesen, U. Berndt, G. Fuchs, G. Winnewisser, Spectrochimica Acta Part A 59, 431-441 (2003)
   
Detection of the Linear Carbon Cluster C10: Rotationally Resolved Diode-Laser Spectroscopy,
T.F. Giesen, U. Berndt, K.M.T Yamada, G. Fuchs, R. Schieder, G. Winnewisser, R.A. Provencal, F.N. Keutsch, A.O. Van Orden, and R.J. Saykally, ChemPhysChem 4/2001, 242-247
   
Interstellar Detection of C3 and High-Precision Laboratory Measurements Near 2 THz,
T.F. Giesen, A.O. Van Orden, J.D. Cruzan, R.A. Provencal, R.J. Saykally, R. Gendriesch, F. Lewen, and G.Winnewisser, Astrophys. J. 551, L181-L184 (4/2001)

Infrarot-Spektroskopie an kleinen Kohlenstoff-Clustern
,
Dissertation Dr. U. Berndt, Universität zu Köln (2000)

Infrared Laser Spectroscopy of the Linear C13 Carbon Cluster
T.F. Giesen, A. Van Orden, H.J. Hwang, R.S. Fellers, R.A. Provencal, R.J. Saykally
Science, New Series, Vol. 265, No. 5173, 756-759 (1994)

Rovibrational Spectroscopy on Linear C7 and C8 in a Supersonic Jet Expansion,
Dissertation Dr. P. Neubauer-Guenther, Universität zu Köln (2006)