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Aus Nanoröhren werden Superfasern
Kohlenstoffnanoröhren haben eine überragende Stärke und Leitfähigkeit, aber in den zwei Jahrzehnten seit ihrer Entdeckung hat es sich als schwierig erwiesen, lange Stränge daraus herzustellen, die diese Eigenschaften nutzen könnten. Jetzt Forscher der Rice University und des niederländischen Materialunternehmens Teijin Aramid stellen fadenförmige Nanoröhren-Fasern her, die die elektrische Leitfähigkeit von Metallen mit der Festigkeit von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen kombinieren und die leicht, flexibel und wärmeleitfähig sind.
Carbon hell: Diese 46 Gramm schwere Leuchtdiode wird von zwei 24 Mikrometer dicken Nanoröhren-Fasern in der Luft gehalten. Die Fasern führen auch elektrischen Strom zur Glühbirne.
Teijin Aramid, mit Sitz in Arnhem, Niederlande, und ein führender Hersteller von hochfesten Fasern, plant die Kommerzialisierung der auf Nanoröhren basierenden Materialien, wahrscheinlich zuerst in der Verkabelung von Flugzeugen und Satelliten und schließlich in elektronischen Textilien und medizinischen Implantaten, die korrosionsbeständig sind.
Einzelne Kohlenstoffnanoröhren gehören zu den stärksten und leitfähigsten bekannten Materialien. Aber die meisten Versuche, größere Materialien daraus zu bauen, führen zu einem Wirrwarr, das keine dieser Eigenschaften hat. Das Problem ist, dass Sie die Nanoröhren ausrichten müssen, um solche Materialien herzustellen.
Im Jahr 2003 haben Forscher der Rice University unter der Leitung von Richard Smalley stellte die ersten Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern her, indem eine flüssige Suspension von Nanoröhrchen durch eine Faserspinnmaschine des gleichen Typs geleitet wurde, der zur Herstellung kommerzieller Polymerfasern wie DuPonts Kevlar und Twaron verwendet wird, die von Teijin Aramid hergestellt werden. Die Überlegung war, dass die Nanoröhren durch die Flüssigkeit fließen und sich aneinanderreihen wie Baumstämme, die auf einem Fluss schwimmen. Diese Ausrichtung sollte die Faser stärker und leitfähiger machen. Die Eigenschaften dieser frühen Fasern waren jedoch nicht sehr gut, sagt Matteo Pasquali , der jetzt das Nanotube-Faser-Projekt bei Rice leitet. Während andere Gruppen sich der Herstellung von Nanoröhrenplatten und -fasern aus trockenen Materialien zuwandten, blieb die Rice-Gruppe bei ihrer Methode.
Damals funktionierte es mit Nanoröhren nicht sehr gut, aber Pasquali und Smalley glaubten, wenn sie den Spinnprozess verbessern könnten, würde dies letztendlich zu Fasern mit besseren Eigenschaften als die Trockenverfahren führen und für eine großtechnische Herstellung wie geeignet sein das mit Polymeren gemacht.
Jetzt habe sich diese Entscheidung ausgezahlt, sagt Pasquali. In Zusammenarbeit mit Teijin Aramid hat die Rice-Gruppe nun Carbon-Nanotube-Fasern hergestellt, die mehr von den Eigenschaften einzelner Nanotubes aufweisen. Sie haben eine elektrische Leitfähigkeit nahe der von Kupfer, sind aber viel stärker. Sie sind nicht ganz so stark wie herkömmliche Carbonfasern, dafür aber deutlich weniger spröde. Und sie sind wärmeleitfähiger als Metall oder Kohlefaser. Das bedeutet, dass Nanoröhrenfasern diese Materialien in bestehenden Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Elektronik ersetzen und neue Technologien ermöglichen könnten, die die einzigartige Kombination der Fasern aus Festigkeit, Flexibilität sowie thermischer und elektrischer Leitfähigkeit nutzen. Pasquali stellt sich waschbare elektronische Textilien, leichte Kabel für Flugzeuge und schließlich effizientere Kabel für das Stromnetz vor.
Die Filamente sind etwa 25 Mikrometer dick und können zu dickeren Fäden verwoben werden, um schwereren Lasten standzuhalten oder mehr Strom zu tragen. Pasquali sagt, dass die Gruppe die Nanoröhren-Materialien jetzt kontinuierlich produzieren kann, und dass es einige Stunden dauert, um einige hundert Meter zu produzieren. Diese Arbeit ist in der Zeitschrift beschrieben Wissenschaft .
Marcin Otto, Business Development Manager bei Teijin Aramid, sagt, dass die Fasern, da sie im Nassspinnverfahren hergestellt werden, bessere Eigenschaften haben als die aus trockenen Nanoröhren. Er räumt jedoch ein, dass Teijin Aramid zeigen muss, dass es in der Lage ist, in größerem Maßstab herzustellen.
Laut Otto untersucht Teijin Aramid derzeit verschiedene potenzielle Märkte. Eine Möglichkeit sind leichte Multifunktionstextilien für smarte Kleidung, die medizinische Sensoren, Antennen und andere Geräte integrieren und den Stress beim Falten überstehen und in der Waschmaschine korrosionsbeständig sind. Aber frühe Anwendungen werden wahrscheinlich in Märkten wie der elektrischen Verkabelung für die Luft- und Raumfahrt und Verteidigung erfolgen, wo jedes Gramm Gewicht entscheidend ist. Zunächst muss das Unternehmen die notwendigen Engineering- und Testverfahren durchführen, um sicherzustellen, dass die Fasern zu einem zuverlässigen Produkt skaliert werden können.