Gesponnene Nanoröhrchen

Forscher wollen aus winzigen Kohlenstoffsträngen lange elektrische Leitungen machen.

Eine neue Methode zur Zusammensetzung von mikroskopischen Kohlenstoffsträngen erlaubt die Produktion von Fasern, die mehrere Hundert Meter lang sind. Damit könnte sich in einigen Jahren ein alter Traum erfüllen: Da die einzelnen Nanoröhrchen stark, leichtgewichtig und elektrisch leitfähig sind, ließen sie sich beispielsweise für extrem effiziente Stromleitungen nutzen.

Vor dem nun an der amerikanischen Rice University erzielten Durchbruch gab es stets das Problem, dass es sehr schwer war, solche Nanofasern im industriellen Maßstab herzustellen – das Material entzog sich der dafür notwendigen stets zu 99 Prozent korrekten Ausrichtung. Durch die Verarbeitung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Lösung, einer so genannten Supersäure, gelang es Forschern um Matteo Pasquali, Professor für Chemieingenieurwesen, nun, das zu ändern. Das so gewonnene Material ließe sich auch als Basis von Strukturmaterialien oder für leitfähige Textilien nutzen.

Andere Forscher versuchten sich an Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, indem sie die Röhrchen aus einem soliden, haarartigen Gespinst zogen oder sie wie Wolle aus einem chemischen Reaktor heraus spannen. Das Problem mit der Nutzung von Feststoffen sei aber, dass die Molekülanordnung nie besonders gut sei und sich solche Prozesse schlecht skalieren ließen, sagt Pasquali. Je besser ausgerichtet und geordnet die Nanoröhrchen sind, desto nützlicher sind jedoch auch ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Mit der Rice University-Methode lassen sich diese nun im großen Maßstab erzeugen – die Faser kommt aus einer Düse wie aus einem Duschkopf.

Der inzwischen verstorbene Nobelpreisträger Richard Smalley startete das Rice-Projekt im Jahr 2001. Er wusste bereits, dass ein Lösungs-basierter Prozess eine gute Methode wäre, Nanoröhrchen-Fasern oder entsprechende Beschichtungen zu schaffen – eben wegen ihrer physikalischen Form. Die Röhrchen sind viel länger als breit – schwimmen sie in einer Lösung, richten sie sich ähnlich wie Baumstämme in einem Fluss aus. Das Problem: Sie sind nicht in konventionellen Flüssigkeiten löslich. Die Rice-Forschergruppe legte deshalb vor rund fünf Jahren den Grundstein für die nun verwendete Technik, als sie erkannte, dass Schwefelsäure die Nanoröhrchen wie gewünscht in eine Lösung einbringen kann, indem sie ihre Oberfläche mit positiv geladenen Ionen überzieht.

In den vergangenen fünf Jahren hat die Rice-Gruppe nun Mikroskopie-Verfahren verwendet, um Nanoröhrchen-Lösungen aus verschiedenen Säuren zu untersuchen. "Da gab es keine schnellen Experimente", sagt Pasquali, "wir mussten sehr bewusst vorgehen". Sein Team wisse nun, wie die Lösungsverarbeitung funktioniere und kenne die Knöpfe, an denen man drehen müsse, um die Nanoröhrchen zu kontrollieren. "Außerdem ist es nun möglich, vorherzusagen, wie sie sich verhalten."

Die beste Lösung für die Verarbeitung der Röhrchen ist laut der Studie, die in "Nature Nanotechnology" veröffentlicht wurde, Chlorsulfonsäure. Darin lösen sich die Nanoröhrchen spontan in Konzentrationen, die 1000 Mal größer sind als in jeder anderen bekannten Lösung.

Die Rice-Gruppe hat ihre Verarbeitungsmethode bereits genutzt, um Fasern mit einer Dicke von 50 Mikrometern zu schaffen, die Hunderte Meter lang waren. "Es gibt keine Einschränkung bei der Länge der Fasern", sagt Pasquali stolz. Hinzu kommt, dass man das Verfahren an qualitativ hochwertigen einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen demonstrieren konnte.

Die bislang produzierten Fasern sind hochgradig leitfähig, aber noch nicht so stark wie andere Kohlenstoffmaterialien. Mit längeren Kohlenstoffnanoröhrchen ließe sich die Stärke jedoch laut Pasquali verzehnfachen. "Wir arbeiten nun an einem Projekt zum Bau elektrischer Leitungen. Nanoröhrchen aus Metall leiten Strom besser als Kupfer, sind leichter und langlebiger."

Eine wichtige Hürde für die Großproduktion solcher Fasern muss allerdings noch genommen werden: Heute gibt es noch keine guten Methoden zur Herstellung der Nanoröhrchen selbst in den dafür notwendigen reinen Mengen. Um eine ganze Stromleitung aus dem Material zu fertigen, müsste die Rice-Gruppe zunächst Nanoröhrchen besitzen, die vollständig metallisch und keine Halbleiter sind. Das könnte sich allerdings bald realisieren lassen: Im vergangenen Monat publizierten Chemiker des Honda-Forschungsinstituts eine Studie, in der sie beschrieben, wie sich große Mengen metallischer Nanoröhrchen großer Reinheit produzieren lassen könnten. Pasquali hält die dort verwendeten Ideen für viel versprechend. "Wenn man echte Überlandleitungen bauen will, braucht man allerdings Tonnen davon – und ein Prozess dafür fehlt noch. Nur noch ein Wunder, dann sind wir soweit." (bsc)