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Ultrastarke Kohlenstoffnanoröhren-Nanodrähte

10.01.2013

Amerikanische Physiker haben eine neue Art von Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, die sich als Material zum Weben von strapazierfähigen und elektrisch leitfähigen "Fäden" eignen, und haben Anweisungen für ihre Herstellung in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

"Schließlich ist es uns gelungen, eine Faser aus Nanoröhren mit Eigenschaften herzustellen, die kein anderes Material hat. Sie sieht aus wie ein gewöhnlicher schwarzer Baumwollfaden, kombiniert aber die Eigenschaften von Metalldrähten und starken Kohlenstoffröhren", sagte Matteo Pasquali, Leiter der Physikergruppe (Matteo Pasquali von der Rice University in Houston (USA).

Pasquali und seinen Kollegen gelang es, Nanoröhren für den industriellen Einsatz anzupassen, nachdem sie ein Jahrzehnt lang mit „Verpackung“ experimentiert und einzelne Nanoröhren zu einem Filament zusammengebunden hatten. Wie die Forscher festhalten, wurde ihnen seit der Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren im Jahr 1991 eine große Zukunft in der modernen Industrie vorausgesagt. Sie haben viele nützliche Eigenschaften - gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit und mechanische Stabilität. Bereits die ersten Experimente zeigten, dass Nanoröhren aufgrund ihrer geringen Größe und der Schwierigkeiten, sie zu verbinden und zu einzelnen Fasern zu verflechten, in der Praxis äußerst schwierig anzuwenden sind.

Die Autoren des Artikels konnten dieses Problem mit Hilfe eines speziellen Lösungsmittels lösen - Chlorsulfonsäure, die Kohlenstoffnanoröhren auflösen kann. Laut Pasquali und seinen Kollegen handelt es sich bei dieser Lösung um eine dicke Flüssigkeit, in der sich einzelne Röhren wie Flüssigkristalle verhalten. Die Forscher untersuchten die Eigenschaften der Lösung und stellten überrascht fest, dass sie zum Spinnen von Fasern in einer Spinnmaschine verwendet werden konnte, die zur Herstellung von Kevlar und anderen Polymeren verwendet wurde. Die Physiker webten mehrere Versuchs-"Versionen" der Faser und wählten nach und nach die optimalen Bedingungen für die Herstellung vollwertiger Nanoröhren-Filamente aus.

Nachdem die Wissenschaftler eine ausreichende Anzahl von Fäden erhalten hatten, testeten sie sie in Aktion - sie maßen ihre elektrische und thermische Leitfähigkeit und bewerteten auch ihre mechanische Festigkeit. Laut den Physikern übertraf ihre Erfindung ihre kühnsten Erwartungen – die Filamente behielten die hohe Festigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit einzelner Nanoröhren. Laut Wissenschaftlern leitet ihre Idee den Strom nicht schlechter als Drähte aus Aluminium, Kupfer oder Gold, und gleichzeitig sind Kohlenstofffilamente viel flexibler als Metallleiter. Darüber hinaus zeichnen sich diese Fäden durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus - sie stehen den besten Graphitfäden, die auf diesem Gebiet als führend galten, in nichts nach.

Pasquali und seine Kollegen glauben, dass ihre Erfindung vor allem in der Elektronik und Luftfahrt Anwendung finden wird, wo Kohlenstofffilamente Metalldrähte ersetzen können, was die Konstruktion solcher Geräte erleichtern und die Kosten senken wird. Darüber hinaus können solche Fäden die Grundlage für neue ultrafeste Materialien mit hoher Flexibilität und Wärmeleitfähigkeit werden.

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