Anhaftende Wasserstoffatome führen zu ferromagnetischer Ordnung.Graphen, die zweidimensionale Form des Kohlenstoffs, hat hervorragende mechanische, elektronische und optische Eigenschaften. Doch als diamagnetisches Halbmetall schien es für magnetische Anwendungen ungeeignet zu sein. Jetzt ist es spanischen Forschern gelungen, Graphen durch Adsorption von einzelnen Wasserstoffatomen ferromagnetisch zu machen.
Die physikalischen Eigenschaften von Graphen lassen sich auf die Eigenschaften des Kohlenstoffatoms zurückführen. Dieses kann mit seinen vier Valenzelektronen (je eines in den Orbitalen 2s, 2p
x, 2p
y und 2p
z) vier Bindungen eingehen. So erklärt sich die tetraedrische Atomanordnung im Diamantem. Doch im Graphen und in einzelnen Graphitlagen ist jedes Atom nur mit drei anderen verbunden, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks sitzen. Dadurch entsteht ein hexagonales Gitter, das aus zwei Dreiecksuntergittern gebildet wird.
Der Grund für diese Anordnung der Atome ist, dass die drei in der Gitterebene liegenden Atomorbitale (2s, 2p
x und 2p
y) „hybridisieren“ und drei neue Orbitale bilden, die das Atom wie ein Mercedesstern umgeben. Sie verleihen dem Graphen seine Struktur, tragen aber nicht zu seiner Leitfähigkeit bei und sind auch nur diamagnetisch, da sie keine ungepaarten Elektronenspins enthalten.
Das verbleibende hantelförmige 2p
z-Orbital des Kohlenstoffatoms, das senkrecht zur Gitterebene steht, bildet mit den entsprechenden Orbitalen der Nachbaratome sogenannte π-Bindungen. Diese wiederum bilden das Leitungsband des Graphens, sodass sich ihre Elektronen frei bewegen können. Aber auch bei diesen Elektronen gibt es keine ungepaarten Einzelspins, sodass das Graphen normalerweise diamagnetisch ist.
Kommentar: Das (Bücher-)Wissen allen Menschen zur Verfügung steht, ist eigentlich eine gute Sache, doch sollte zumindest die Autoren vorher gefragt werden, ob sie das auch möchten.