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01.07.2013

Hochorientierte Kohlenstoff-Nanoröhren

Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) bestehen aus wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen und haben einen Durchmesser von etwa 1 bis 50 nm. Einwandige CNT können Zugfestigkeiten von 50 GPa erreichen, an mehrwandige CNT wurden bereits Zugfestigkeiten von bis zu 150 GPa gemessen. In größeren Strukturen können sich diese einzigartigen mechanischen Eigenschaften jedoch nur dann entfalten, wenn alle CNT in die gleiche Richtung orientiert sind. Einer Gruppe von Materialwissenschaftlern aus Jena ist nun ein wichtiger Schritt auf diesem Forschungsgebiet gelungen. Sie brachten mehrwandige CNT zunächst in eine Polymerschmelze ein, die anschließend stark verstreckt wurde. Auf diese Weise erzeugten sie Folien, die hochorientierte CNT enthalten.

Schematischer Überblick über die verschiedenen Struktur-Arten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen: einwandig (SWCNT), mehrwandig (MWCNT) und auch mögliche Oberflächen-Modifikationen (© DaNa)

Schematischer Überblick über die verschiedenen Struktur-Arten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen: einwandig (SWCNT), mehrwandig (MWCNT) und auch mögliche Oberflächen-Modifikationen (© DaNa)

Den Angaben zufolgen findet beim Erstarren der Polymerschmelze eine Grenzflächenkristallisation statt. Die Polymerkristalle wachsen geordnet auf den CNT auf und verbinden sich mit diesen. Die Polymerketten des amorphen Teils des Polymers verhaken sich während des Verstreckens an den Kristallen auf den Kohlenstoff-Nanoröhren und ziehen diese dabei alle in eine Richtung. So entsteht eine extrem hohe Ausrichtung der Röhrchen, die in dieser Form bisher nicht möglich war.

Die Forscher aus Jena verweisen in diesem Zusammenhang auch darauf, dass sich die orientierten CNT möglicherweise als Seil für einen Weltraumlift eignen könnten. Bei diesem – mit heutiger Technik nicht realisierbarem Konzept – verbindet ein Seil einen geostationären Satelliten mit der Erdoberfläche. Damit das Seil mit einer Länge von 36000 km die auftretenden Kräfte aufnehmen kann, sind nach Berechnungen der NASA Materialien mit Zugfestigkeiten von etwa 62 GPa notwendig. Mit einem Weltraumlift könnten Schätzungen zufolge die Transportkosten in den Weltraum von derzeit etwa 60000 EUR/kg auf bis zu 75 EUR/kg reduziert werden.

Dr.-Ing. Harald Sambale
sambale <AT> hanser.de

Otto-Schott-Institut für Materialforschung
der Universität Jena
DE 07743 Jena


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