Neues Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren

Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften wären Nanoröhren aus Kohlenstoff ideal für zahlreiche Anwendungen, von ultraleichten Batterien über Hochleistungskunststoffe bis zu medizinischen Implantaten. Doch bisher lassen sie sich nur schlecht mit anderen Materialien verbinden oder verlieren dabei ihre vorteilhaften Merkmale. Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und der Universität Trento haben jetzt eine alternative Methode entwickelt, mit der sich die winzigen Röhren so mit anderen Materialien verbinden lassen, dass sie ihre charakteristischen Eigenschaften behalten.

Extrem leicht, elektrisch besonders leitfähig und stabiler als Stahl: Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften wären Nanoröhren aus Kohlenstoff ideal für zahlreiche Anwendungen, von ultraleichten Batterien über Hochleistungskunststoffe bis zu medizinischen Implantaten. Bisher ist es für Wissenschaft und Industrie jedoch schwierig, die außerordentlichen Merkmale von der Nanoskala auf eine funktionsfähige industrielle Anwendung zu übertragen. Zu schlecht lassen sich die Kohlenstoffnanoröhren mit anderen Materialien verbinden oder sie verlieren dabei ihre vorteilhaften Eigenschaften. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Universität Trento haben jetzt eine alternative Methode entwickelt, mit der sich die winzigen Röhren so mit anderen Materialien verbinden lassen, dass sie ihre charakteristischen Eigenschaften behalten. Dabei „verfilzen“ sie die fadenartigen Röhren zu einem stabilen 3D-Netzwerk, das extremen Kräften Stand hält. Die Forschungsergebnisse erschienen jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications.

Industrie und Wissenschaft erforschen die deutlich unter hundert Nanometer breiten Kohlenstoffröhren (Englisch Carbon Nano Tubes, CNT) intensiv, um die außergewöhnlichen Eigenschaften des gerollten Graphen nutzbar zu machen. Doch vieles ist bisher noch Theorie. Kohlenstoffnanoröhren sind zwar flexibel wie Fäden, aber gleichzeitig sehr empfindlich gegenüber Veränderungen, so Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU. Bei den bisherigen Versuchen, sie auf chemische Weise mit anderen Materialien zu verbinden, änderte sich auch ihr molekularer Aufbau. Dadurch verschlechtern sich aber ihre Eigenschaften meistens drastisch.

Wird das keramische Gerüst chemisch herausgeätzt, bleibt nur der feine Filzmantel zurück. Der Filz aus winzigen Röhren hat sich so zu einem Netzwerk größerer Röhren zusammengeschlossen. Die Hohlräume können mit einem Kunststoff zu einem leitfähigen und reißfesten Verbundmaterial aufgefüllt werden / Bildquelle: Fabian Schütt

Der Verbindungsansatz des Forschungsteams aus Kiel und Trento basiert stattdessen auf einem einfachen nasschemischen Infiltrationsverfahren. Dabei werden die CNTs mit Wasser vermischt und in ein extrem poröses keramisches Material aus Zinkoxid getropft, das die Flüssigkeit aufsaugt wie ein Schwamm. Die eingetropften fadenähnlichen CNTs setzen sich auf dem keramischen Gerüst ab und fügen sich selbstständig zu einer stabilen Schicht zusammen, ähnlich eines Filzes. Das keramische Gerüst wird gewissermaßen mit Nanoröhren ummantelt. Das hat faszinierende Auswirkungen, sowohl für das Gerüst, als auch den Mantel aus Nanoröhren.

Nach dem Prinzip der Bambusbauten

Zum einen erhöht sich die Stabilität des keramischen Gerüsts so massiv, dass es das 100.000-fache seines eigenen Gewichts tragen kann. Mit der CNT-Ummantelung hält das keramische Material um die 7,5 kg aus, ohne sind es gerade einmal 50 g – als hätten man ihm einen enganliegenden Pullover aus Kohlenstoffnanoröhren angezogen, der es mechanisch stützt. Der Druck, der auf das Material wirkt, wird von der Reißfestigkeit des CNT-Filzes aufgefangen. Druckkräfte wandeln sich in Zugkräfte um.

Das Prinzip dahinter ist vergleichbar mit Bambusbauten, wie sie beispielsweise in Asien weit verbreitet sind. Dabei werden Bambusstämme so fest mit einem einfachen Seil umwickelt, dass aus dem leichten Material ein extrem stabiles Gerüst und sogar ganze Gebäude entstehen. Das Gleiche wird auf der Nanoskala mit den CNT-Fäden gemacht, die sich um das keramische Material wickeln, nur viel, viel kleiner.

Mit winzigen Kohlenstoffröhren zu Hochleistungskunststoffen

Die Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftler konnten noch einen weiteren großen Vorteil ihres Verfahrens aufzeigen. Dazu lösten sie in einem zweiten Schritt das keramische Gerüst mit einem chemischen Ätzverfahren auf. Zurück bleibt nur ein feingliederiges 3D-Netzwerk aus Röhren, von denen jede wiederum aus einer Schicht winziger CNT-Röhren besteht. Auf diese Weise konnten die Forschenden die Filzoberfläche enorm vergrößern und so mehr Möglichkeiten für Reaktionen schaffen. Die Forscher packen quasi die Fläche eines ganzen Beachvolleyballfeldes in einen zentimetergroßen Würfel. Die riesigen Zwischenräume der dreidimensionalen Struktur lassen sich nun mit einem Polymer auffüllen. So können CNTs mechanisch mit Kunststoffen verbunden werden, ohne dass sich ihre molekulare Struktur und damit ihre Eigenschaften ändern. Sie können CNTs so gezielt anordnen und ein elektrisch leitendendes Verbundmaterial herstellen. Dafür reicht ein Bruchteil der herkömmlichen CNT-Menge, um die gleiche Leitfähigkeit zu realisieren.

Einfaches Verfahren für zahlreiche Anwendungen

Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Batterie- und Filtertechnik als Füllmaterial für leitfähige Kunststoffe, Implantaten für die regenerative Medizin bis zu Sensoren und elektronischen Bauteilen auf Nanoebene. Die gute elektrische Leitfähigkeit des reißfesten Materials könnte zukünftig auch interessant sein für flexible Elektronik-Anwendungen, zum Beispiel in Funktionskleidung oder in der Medizintechnik. Denkbar ist zum Beispiel ein Kunststoff, der Knochen- oder Herzzellen zum Wachsen anregt. Durch seine Einfachheit könnte sich der Prozess auch auf Netzwerkstrukturen aus anderen Nanomaterialien übertragen, sind sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einig – was die Anwendungsmöglichkeiten noch mehr erweitert.

Die Arbeit wurde unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie von der Europäischen Kommission im Rahmen des Graphene FET Flagship.

Originalpublikation: Hierarchical self-entangled carbon nanotube tube networks. Fabian Schütt, Stefano Signetti, Helge Krüger, Sarah Röder, Daria Smazna, Sören Kaps, Stanislav N. Gorb, Yogendra Kumar Mishra, Nicola M. Pugno & Rainer Adelung, Nature Communications 8, Article number: 1215 (2017), doi:10.1038/s41467-017-01324-7.

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