Unerwartete Schwingungszustände in Nanoröhren

Bereits vor neun Jahren gelang der Forschungsgruppe um Thomas Pichler an der Universität Wien ein bemerkenswerter Durchbruch: Erstmals konnte Carbyne stabilisiert werden – eingebettet in Kohlenstoffnanoröhrchen, sogenannte Nanotubes. Das Material, das sich durch kontrollierbare elektronische Eigenschaften und potenziell höchste Zugfestigkeit auszeichnet, zeigte jedoch im Experiment ein bisher nicht erklärbares Verhalten. Die beobachteten Schwingungszustände widersprachen den etablierten Erklärungsmodellen.

Theoretische Modelle und KI bringen Licht ins Dunkel

In der nun veröffentlichten Studie konnten die Forschenden das Phänomen mithilfe eines innovativen theoretischen Modells aufklären, das erst durch jüngste Fortschritte im Machine Learning möglich wurde. Damit gelang es, die neuartigen Wechselwirkungen zwischen der Carbyne-Kette und dem umgebenden Nanotube zu beschreiben.

„Die Kette und der Nanotube sind zwar elektronisch isoliert und tauschen damit keine Elektronen aus, unterliegen jedoch einer unerwartet starken Kopplung der Schwingungen der beiden Nanostrukturen“, erklärt Emil Parth von der Universität Wien, Hauptautor der Studie. Carbyne und Nanotube kommunizieren demnach auf elektronischer Ebene, obwohl sie physikalisch voneinander isoliert sind – eine quantenmechanische Kopplung, die in dieser Ausprägung bislang nicht beobachtet wurde.

Carbyne als kontaktloser Sensor im Nanomaßstab

Besonders bemerkenswert ist die ausgeprägte Sensibilität von Carbyne gegenüber äußeren Einflüssen. Die Wechselwirkung mit der Nanoröhre ist dabei nicht einseitig: Auch die Eigenschaften des Nanotubes werden durch die Carbyne-Kette verändert – jedoch auf andere Weise als bislang angenommen.

„Die Sensibilität gegenüber äußeren Einflüssen von Carbyne ist entscheidend für seine mögliche Anwendung in zukünftigen Materialien und Geräten als kontaktloser optischer Sensor im Nanomaßstab zum Beispiel als lokaler Temperatursensor für Wärmetransportmessungen“, resümiert Thomas Pichler (Parth et al., 2025).

Die Studie zeigt eindrucksvoll, wie grundlagenorientierte Materialforschung mithilfe moderner Analysemethoden wie Raman-Spektroskopie und maschinellem Lernen neue Wege für Sensorik und Materialdesign aufzeigt. Gefördert wurde die Arbeit durch den ERC-SYN Grant MORE-TEM der EU.

Originalpublikation:
Parth, E., Corradini, A., Cui, W., Romanin, D., Schuster, C., Freytag, C., Shi, L., Yanagi, K., Calandra, M. & Pichler, T. (2025). Anharmonic effects control interaction of carbynes confined in carbon nanotubes shaping their vibrational properties. Nature Communications. DOI:10.1038/s41467-025-59863-3

Quelle: Universität Wien