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Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu langen Fasern
Eine neue Methode zum Zusammenbau von Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurde verwendet, um Hunderte Meter lange Fasern herzustellen. Einzelne Kohlenstoffnanoröhren sind stark, leicht und elektrisch leitfähig und könnten unter anderem als elektrische Übertragungsdrähte wertvoll sein. Aber das Ausrichten der Massen der Nanoröhren in wohlgeordneten Materialien wie Fasern hat sich in einem für die Herstellung geeigneten Maßstab als Herausforderung erwiesen. Durch die Verarbeitung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Lösung namens Supersäure haben Forscher der Rice University lange Fasern hergestellt, die als leichte, effiziente Drähte für das Stromnetz oder als Grundlage für Strukturmaterialien und leitfähige Textilien verwendet werden könnten.
Nanotube-Faser: Diese Faser mit einem Durchmesser von etwa 40 Mikrometern besteht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Andere haben Kohlenstoff-Nanoröhren-Fasern hergestellt, indem sie die Röhren aus festen haarähnlichen Anordnungen gezogen oder sie wie Wolle gesponnen haben, wenn sie aus einem chemischen Reaktor austreten. Das Problem beim Start von einem Feststoff, sagt Rice-Professor für Chemieingenieurwesen Matteo Pasquali , ist, dass die Ausrichtung nicht spektakulär ist und diese Methoden schwer zu skalieren sind. Je besser die einzelnen Nanoröhren in einer größeren Struktur ausgerichtet und geordnet sind, desto besser sind die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der kollektiven Struktur. Mit den Rice-Methoden lassen sich gut ausgerichtete Nanotube-Fasern im großen Maßstab herstellen, die aus einer Düse ähnlich einem Duschkopf geschossen werden.
Der späte Nobelpreisträger Richard Smalley startete 2001 das Rice-Projekt. Smalley wusste, dass die Lösungsverarbeitung aufgrund der Form der Nanoröhren eine gute Möglichkeit sein würde, Nanoröhrenfasern und -filme zusammenzubauen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind viel länger als breit. Wenn sie sich also in einer fließenden Lösung befinden, reihen sie sich wie Baumstämme, die einen Fluss hinuntertreiben. Aber Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind in herkömmlichen Lösungsmitteln nicht löslich. Den Grundstein für die flüssige Verarbeitung der Nanoröhren legte die Rice-Gruppe vor fünf Jahren, als sie entdeckte, dass Schwefelsäure die Nanoröhren in Lösung bringt, indem sie ihre Oberflächen mit positiv geladenen Ionen beschichtet.
In den letzten fünf Jahren hat die Rice-Gruppe Mikroskopie verwendet, um Nanoröhrenlösungen zu untersuchen, die in verschiedenen Säuren hergestellt wurden. Es gab kein schnelles Experiment, sagt Pasquali. Wir mussten sehr überlegt sein. Wir verstehen jetzt, wie die Lösungsverarbeitung funktioniert, die Knöpfe zur Steuerung der Nanoröhren und wie man vorhersagt, was sie tun werden. Das beste Lösungsmittel für die Verarbeitung der Tuben, laut einer in diesem Monat in der Zeitschrift veröffentlichten Arbeit Natur Nanotechnologie , ist Chlorsulfonsäure. Nanoröhren lösen sich in dieser Säure in 1000-mal höheren Konzentrationen spontan auf als in jedem anderen Lösungsmittel.
Die Rice-Gruppe hat mit Säureverarbeitungsmethoden Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu 50 Mikrometer dicken und Hunderten von Metern langen Fasern zusammengesetzt. Bei der Faserlänge gebe es keine Beschränkungen, sagt Pasquali. Die Rice-Gruppe demonstrierte ihr Montageverfahren mit hochwertigen, einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Bisher hat die Gruppe Fasern hergestellt, die zwar hochleitfähig, aber nicht so stark sind wie andere Kohlenstoffmaterialien. Pasquali sagt, dass die Festigkeit der Fasern durch die Verwendung längerer Kohlenstoff-Nanoröhrchen wahrscheinlich um das Zehnfache verbessert werden könnte. Wir arbeiten gerade an einem Projekt zum Bau elektrischer Übertragungsleitungen, sagt Pasquali. Metallische Nanoröhren leiten den Strom besser als Kupfer, sind leichter und versagen seltener.
Eine wichtige Hürde für die großtechnische Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren bleibt: Heute gibt es keine guten Methoden, um die Nanoröhren selbst in großen, reinen Chargen herzustellen. Um beispielsweise Nanoröhren-Übertragungsleitungen herzustellen, müsste die Rice-Gruppe mit einer großen Charge von Nanoröhren beginnen, die alle metallischen Nanoröhren und keine halbleitenden enthalten. Letzten Monat veröffentlichten Chemiker des Honda Research Institute eine Veröffentlichung in Wissenschaft die Beschreibung einer Methode zur Herstellung großer Mengen metallischer Nanoröhren, die laut Pasquali vielversprechend ist. Für Übertragungsleitungen müssen Tonnen hergestellt werden, und dafür gibt es derzeit keine Methoden, sagt er. Wir sind ein Wunder entfernt.