Nanotube-Fasern

In einem Labor der Rice University wird eine schwarze Faser mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares in einen Ätherbecher gewickelt. Der Strang besteht aus reinen Nanoröhren und ist der Höhepunkt von fast einem Jahrzehnt des Experimentierens. Der Chemieingenieur Matteo Pasquali und seine Kollegen haben Nanoröhren zu mehreren hundert Meter langen Fasern gesponnen und damit bewiesen, dass kommerziell nützliche Herstellungsverfahren entwickelt werden können, um Materialien im Makromaßstab aus diesen zylindrischen Molekülen aus reinem Kohlenstoff herzustellen.

Chemieingenieur Matteo Pasquali, der in seinem Labor an der Rice University in Houston Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu Fasern spinnt.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu Fasern zu machen war ein besonderer Traum des verstorbenen Rice-Professors Richard Smalley, der 1996 den Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung der kugelförmigen Kohlenstoffmoleküle, den Buckyballs, erhielt. Einzelne Nanoröhren haben bemerkenswerte Eigenschaften: Sie sind leicht, stark und können elektrisch leitfähig sein. Es war jedoch schwierig, sie zu großen Strukturen mit diesen Eigenschaften zusammenzubauen.

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2010

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Im Jahr 2001 begann Smalley mit dem Versuch, Kohlenstoff-Nanoröhrchen mithilfe von Flüssigkeitsprozessen zu Fasern zu spinnen, die die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Röhren über Kilometerlängen beibehielten – eine Idee, die, wie er zugab, wirklich wahnsinnig war (siehe Wires of Wonder, März 2001) . Solche Fasern wären stärker als Stahl und leitfähiger als Kupfer. Smalley stellte sich vor, sie seien zu Kabeln verwoben, die Strom effizient von abgelegenen Wind- und Solarparks in besiedelte Gebiete transportieren könnten – ohne Energie durch Wärme zu verlieren. Pasquali, der von Anfang an Teil des Projekts war und nach Smalleys Tod 2005 übernahm, gibt zu, dass er als Skeptiker angefangen hat. Ich dachte, es sei kompletter Wahnsinn, denn Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind nicht in Flüssigkeit löslich – und ich bin ein Flüssigkeits-Typ, sagt er.

Andere Forscher haben aus trockenen Nanoröhren Fasern im Makromaßstab hergestellt, sie aus vertikalen Anordnungen gezogen oder wie Wolle gesponnen, wenn sie aus einem Reaktor kommen. Aber die einzelnen Nanoröhren in diesen Fasern reihen sich nicht aneinander, und die richtige Ausrichtung ist entscheidend: Die verhedderten Massen der Moleküle tragen den Strom nicht gut und sind nicht stark. Pasquali wusste, dass sich in Lösung gebrachte Nanoröhrchen wie Baumstämme aneinanderreihen würden, die einen Fluss hinuntertrieben, was zu wohlgeordneten Fasern führte.

Ein Durchbruch gelang der Gruppe im Jahr 2004, als sie argumentierten, dass die Verfahren zur Herstellung von Kevlarfasern, einem Bestandteil kugelsicherer Westen, auch mit Nanoröhren funktionieren könnten. Wie Nanoröhren ist das Kevlar-Polymer lang, dünn und in Lösung schwer aufzulösen; Die Fasern werden hergestellt, indem das Polymer mit Schwefelsäure vermischt und dann die Lösung durch Nadeln geschossen wird, die wie die Löcher in einem Duschkopf gruppiert sind.

Den Rice-Forschern gelang es, mit Schwefelsäure nur geringe Mengen an Nanotubes aufzulösen. Mit Chlorsulfonsäure – einer sogenannten Supersäure – konnten sie jedoch hohe Konzentrationen von Nanoröhren in Lösung bringen. Die Röhren bilden einen Flüssigkristall, in dem sie bereits ausgerichtet sind – ein enormer Vorteil, um daraus Fasern zu machen.

Eine Linie drehen

Pasqualis Gruppe beginnt ihren Spinnprozess mit einwandigen Nanoröhren, die in einem nahegelegenen Labor nach einem ursprünglich von Smalley entwickelten Verfahren hergestellt werden. In einem Hochdruckreaktor mit Temperaturen von 1.000 °C entweicht Kohlenmonoxid auf Tröpfchen eines reinen Eisenkatalysators und zersetzt sich. Die Kohlenstoffatome bauen sich zu Hohlzylindern mit einem Durchmesser von etwa einem Nanometer und einer Länge von einigen hundert Nanometern auf. Diese Nanoröhren treten in flauschigen schwarzen Drifts aus dem Reaktor aus; Sie werden in 5-Gallonen-Eimern aufbewahrt, die bis zur Decke gestapelt sind und jeweils nur 200 Gramm fassen.

Nanoröhren, die in diesem Reaktor hergestellt werden, enthalten Spuren von Eisen, die entfernt werden müssen, bevor die Röhren zu Fasern verarbeitet werden können. Doktorand Colin Young füllt eine Glaskammer mit Nanoröhren, die in einem Ofen mit Sauerstoff behandelt wurden, um das Eisen zu oxidieren und löslich zu machen. In einem Abzug befestigt er die Kammer über einem Kolben mit Salzsäure. Er schaltet einen Heizblock unter der Säure ein, um sie zu kochen. Während sie kondensiert und auf die Nanoröhrchen tropft, löst die Säure das Eisen auf; die rohre bleiben unberührt.

Nach ihrer Säuredusche lädt die Doktorandin Natnael Behabtu die Nanoröhren und Chlorsulfonsäure in eine Edelstahlröhre, die mit Kolben ausgestattet ist, die die Nanoröhren gleichmäßig in eine Richtung reiben, um sie zu ermutigen, sich auszurichten. Die resultierende viskose Lösung besteht aus 8 Gewichtsprozent Flüssigkristall-Nanoröhren.

Dann nimmt er die Hälfte der Kammer und damit einen der Kolben ab und ersetzt ihn durch einen Teil, der mit einer Spinnnadel versehen ist. Der Kolben drückt die Flüssigkeit durch einen Glasfilter (der ein Verstopfen verhindert), in die Nadel und hinaus in ein Wartebad aus Diethylether. Die Säure ist im Äther löslich, die Nanoröhrchen jedoch nicht. Das Ergebnis ist eine reine Nanoröhrchen-Faser mit 50 bis 100 Mikrometer Durchmesser und vielen Metern Länge.

gerecht werden

Um die Zugfestigkeit der Fasern zu messen, verwendet Young Klebstoff, um ein kurzes Stück Faser auf einen Kartonrahmen zu kleben. Er klemmt diese in die Metallschraubstöcke eines Stresstesters, schneidet den Rahmen und zieht die Faser von beiden Enden, bis sie bricht. Die Fasern können derzeit einem Druck von etwa 350 Megapascal standhalten, bevor sie versagen – etwas weniger als ein menschliches Haar, das für seinen Durchmesser als ziemlich stark gilt.

Die Festigkeit der Fasern hängt von der Reibung ab, die dort erzeugt wird, wo Nanoröhrenoberflächen interagieren. Längere Nanotubes erzeugen mehr Reibung und damit stärkere Fasern. Die Rice-Nanoröhren – die Pasquali der Einfachheit halber verwendet – sind relativ kurz. Aber er prüft Partnerschaften mit Faserspinnunternehmen und Herstellern von Kohlenstoff-Nanoröhren, die zusätzliches Spinning-Know-how und längere Nanoröhren anbieten können. Pasquali hofft, die Zugfestigkeit der Fasern letztendlich mehr als verzehnfachen zu können.

Es gibt immer noch ein großes Hindernis, um Smalleys Traum zu verwirklichen, Nanoröhren zu verwenden, um das Stromnetz zu erneuern. Die Fasern von Pasquali haben einen elektrischen Widerstand von 120 Mikroohm pro Zentimeter, etwa achtmal höher als der von Kupferdrähten. Der Grund dafür ist, dass jede Methode zum Züchten von Nanoröhren zu einer Mischung aus leitenden und halbleitenden Versionen führt. Damit Nanoröhrenfasern genug Strom transportieren können, um Kupfer zu verdrängen, müssten sie vollständig aus leitfähigen Nanoröhren bestehen. Die Rice-Gruppe plant, Fasern aus leitenden Nanoröhren herzustellen, die von den nichtleitenden Röhren getrennt sind, um festzustellen, ob solche Leitfähigkeiten möglich sind. Doch der heutige Sortierprozess macht die Nanotubes für den Einsatz in der elektrischen Übertragung zu teuer.

Pasquali bleibt jedoch optimistisch, dass diese zweite Herausforderung gemeistert wird, ebenso wie er das Problem des Spinnens von Nanoröhren zu langen Fasern gelöst hat. Und er ist sich sicher, dass starke, leichte Nanoröhren-Drähte dann endlich die schweren und ineffizienten stahlverstärkten Aluminiumkabel ersetzen können, die in heutigen Stromnetzen verwendet werden, so wie es Smalley sich vorgestellt hat.

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