Es gibt kaum andere chemische Elemente, die so allgegenwärtig und zugleich so unverzichtbar sind wie Kohlenstoff und Stickstoff. Eine kurze Bestandsaufnahme: Sie bilden das Grundgerüst des Lebens, ermöglichen zahlreiche katalytische Prozesse in der Industrie, sind zentraler Bestandteil vieler Schlüsselmaterialien unseres Alltags – und machen über 78 Prozent unserer Atmosphäre aus (wobei fast der gesamte Anteil auf Stickstoff entfällt). Ihre chemischen Eigenschaften werden seit Jahrhunderten erforscht; sie bilden das Fundament der organischen Chemie und haben unzählige Reaktionen auch in der anorganischen Chemie zutage gebracht. Sie sind die Grundlage für gängige Verfahren in Bergbau, Galvanotechnik, Pharmakologie und vielem mehr. Doch ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Wissenschaftlern der Goethe-Universität Frankfurt hat nun gezeigt, dass dieses bekannte Bild nur ein kleiner Ausschnitt dessen ist, wozu Kohlenstoff und Stickstoff fähig sind – man muss nur Druck und Temperatur erhöhen. Studien in den renommierten Fachzeitschriften „Journal of the American Chemical Society“ und „Angewandte Chemie“ zeigen, dass Kohlenstoff und Stickstoff unter hohem Druck gleichzeitig mit verschiedenen Metallen reagieren können. Die Ergebnisse könnten die Entwicklung zukünftiger Funktionsmaterialien maßgeblich beeinflussen.

Kohlenstoff und Stickstoff bilden sehr stabile Verbindungen. Besonders der molekulare Stickstoff in der Atmosphäre ist durch seine Dreifachbindung extrem reaktionsträge – sie zu spalten erfordert enorme Energiemengen. Und elementarer Kohlenstoff lässt sich so anordnen, dass er zu Diamant wird, einem der härtesten und korrosionsbeständigsten Materialien überhaupt. Zwar reagieren Kohlenstoff und Stickstoff bereits bei Normaldruck zu Dicyan – einem farblosen, giftigen Gas – doch unter Druck verändert sich ihr Verhalten grundlegend.

Die von der Universität Frankfurt geleitete Studien zeigen neue Wege auf, um neuartige Kohlenstoff-Stickstoff-Anionen zu erzeugen – und zwar durch den Einsatz extremer Drücke. Indem die Forscher die Reaktionspartner zwischen zwei Diamanten in einer sogenannten Diamantstempelzelle komprimierten und gleichzeitig mit präzisen gesteuerten Lasern erhitzten, gelang es ihnen, Stickstoff und Kohlenstoff miteinander zu verbinden, wobei sich negativ geladene Ionen bildeten. Diese werden in neuartigen Verbindungen durch positiv geladene Metallionen stabilisiert.

„Früher nannte man das ‚cook and look‘ (auf Deutsch ‚Kochen und Gucken‘)“, sagt Nico Giordano, DESY-Wissenschaftler an der PETRA-III-Beamline P02.2 für Extrembedingungen und Mitautor der Studie. „Man erhitzte Materialien unter extremem Druck, wartete ab, was dabei herauskam – ohne recht zu wissen, was einen erwartete. Das Besondere an dieser Arbeit ist, dass das Team die Chemie vorhersehen und gezielt bestimmte Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen ansteuern konnte.“

Die Forschenden hatten im Vorfeld Berechnungen und Vorhersagen angestellt, wie sich die verschiedenen Reaktanten unter diesen extremen Druck- und Temperaturbedingungen verhalten würden. Die dabei eingesetzten Drücke und Temperaturen entsprechen denen im Erdinneren oder im Inneren anderer Planeten. So gelang es ihnen, mögliche chemische Veränderungen oder Reaktionen bereits vor dem Experiment zu modellieren – und damit gezielt neue Moleküle zu entwerfen. Zur Überprüfung der entstandenen Verbindungen sowie der Reaktionswege nutzten sie neben P02.2 am PETRA III auch Beamlines des Europäischen Synchrotrons ESRF in Frankreich. Da Kohlenstoff und Stickstoff auch auf anderen Planeten häufig vorkommen, sind diese Reaktionen für Erd- und Planetenforschende von allgemeinem Interesse: Sie geben Aufschluss darüber, wie sich chemische Prozesse in bestimmten Tiefen planetarer Körper abspielen.

Allerdings sind die Ergebnisse vor allem für die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien vielversprechend. So könnten die auf diese Weise hergestellten Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen etwa in der organischen Elektronik oder als neuartige Katalysatoren zum Einsatz kommen. „Die Tragweite dieser Entdeckung geht weit über die Identifizierung einiger neuer Verbindungen hinaus“, betont Maxim Bykov, Professor für Chemie an der Goethe-Universität Frankfurt und Leiter der Experimente. „Sie verändert unser grundlegendes Verständnis der Chemie – und zeigt, dass selbst bei so gut erforschten Elementen wie Kohlenstoff und Stickstoff völlig neue Strukturprinzipien verborgen bleiben können, bis man die richtigen Bedingungen schafft.“

Originalveröffentlichungen

Brüning L et al. "High-Pressure Synthesis of Crystalline Double-Layer Carbon Nitride Networks Stabilized in Bi₇C₁₀N₁₈(N_3(1-x)O_3x)", Angewandte Chemie, 2025, DOI:10.1002/anie.202506406

Jurzick PL et al. "Stabilization of Fully Deprotonated Melaminate Anions (C₃N₆)^6– in M₃(C₃N₆) (M = Cd, Ca)", Journal of the American Chemical Society, 2026, DOI:10.1021/jacs.5c16752

Akbar FI et al., "Stabilization of the [C₂N₅]^7– Anion in Recoverable High-Pressure Eu₄Fe_0.864(6)(C₂N₅)₂ Pyronitridocarbonate", Journal of the American Chemical Society, 2026, DOI:10.1021/jacs.5c21756