Kohlenstoffnanoröhre

Kohlenstoffnanoröhren sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff.

Ihre Wände bestehen ähnlich wie die der Fullerene oder wie die Ebenen des Graphits nur aus Kohlenstoff, wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen. Der Durchmesser der Röhren liegt meist im Bereich von 1-50 Nanometern (nm), aber es wurden auch Röhren mit nur 0,4 nm Durchmesser hergestellt. Längen bis zu 300 Mikrometern (0,3 mm) wurden bereits hergestellt, vermutlich sind auch Millimeter möglich.

Man unterscheidet zwischen ein- und mehrwandigen, zwischen offenen oder geschlossenen Röhren (mit einem Deckel, der einen Ausschnitt aus einer Fullerenstruktur hat) und zwischen leeren und gefüllten Röhren (z.B. mit Silber, flüssigem Blei, oder Edelgasen). Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Röhre metallisch oder halbleitend; es sind auch Kohlenstoffröhren bekannt, die bei tiefen Temperaturen supraleitend sind. Es wurden bereits Transistoren und einfache Schaltungen mit den halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Die Forschung sucht nun nach Möglichkeiten, komplexe Schaltkreise aus verschiedenen Kohlenstoffnanoröhren gezielt herzustellen.

Die Wärmeleitfähigkeit ist ungewöhnlich hoch. Auch die mechanischen Eigenschaften sind ungewöhnlich, da die auf Gewicht oder Durchmesser bezogene Zugfestigkeit sehr groß ist (vielfach höher als die von Stahl). Ganze Bündel von Röhren wurden bereits zu Fäden oder Matten verarbeitet, die als Werkstoff verwendet werden sollen. Bündel von Nanoröhren, die in einem Elektrolyt elektrisch aufgeladen werden, können auch als Aktuator wirken.

Felder von parallel aufgestellten Nanoröhren lassen sich herstellen, und die prinzipielle Eignung als Bauteil für flache und selbstleuchtende Bildschirme wurde ebenfalls demonstriert: Dabei dienen die scharfen Spitzen der Nanoröhren als Quelle für Elektronen (winzige Elektronenkanone, Elektronenemitter, Kaltkathode schon bei relativ geringen Spannungen), die wie beim herkömmlichen Fernsehgerät gegen einen Leuchtschirm beschleunigt werden.

Struktur der Nanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren leiten sich von den Kohlenstoffebenen des Graphits ab, die zu einer Röhre aufgerollt sind: Die Kohlenstoffatome bilden eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern. Röhren mit ideal hexagonaler Struktur haben eine einheitliche Dicke und sind linear; es sind aber auch geknickte oder sich verengende Röhren möglich, die fünfeckige Kohlenstoffringe enthalten. Je nachdem, wie das Wabennetz des Graphits zur Röhre gerollt wird ("gerade" oder "schräg"), treten auch helicale (schraubenartig gewundene) und damit nicht mehr rotationssymmetrische, sondern chirale Strukturen auf.

Entdeckung und Herstellung

Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren wurden 1991 von Professor Sumio Iijima mit einem Elektronenmikroskop entdeckt. Er hatte eine Lichtbogenentladung zwischen Kohlenstoffelektroden erzeugt. 1993 wurden die einwandigen Kohlenstoffnanoröhren entdeckt. Sie können ebenfalls im Lichtbogen hergestellt werden, wenn man Katalysatoren zusetzt. Der Nobelpreisträger Richard E. Smalley veröffentlichte 1996 ein Laserverfahren zur Herstellung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Dabei wird Graphit mit einem Laser abgetragen ("verdampft"). Außerdem entstehen Nanoröhren bei der katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen; mit diesem Verfahren kann man ganze Felder von weitgehend parallen Röhren auf einer Unterlage aufwachsen lassen. Jedes der drei Verfahren (Lichtbogen, Laser, Gaszersetzung) ist inzwischen so weit entwickelt, dass damit größere Mengen hergestellt werden können. Man kann heute fertige Kohlenstoffnanoröhren von verschiedenen Herstellern in Grammmengen kaufen.