Kohlenstoffröhrchen, auch praktisch im Maxiformat

Tausendfach größer als Nanoröhrchen sind neuartige Kohlenstoffröhren mit ebenso außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften, für Anwendungen von der Mikroelektronik bis zu kugelsichereren Westen

Los Alamos (USA)/Schanghai (China) - "Kolossale Kohlenstoffröhren" haben ihre Entwickler sie getauft, weil sie ähnlich vielfältige Eigenschaften tragen wie die berühmten Nano-Röhrchen - nur sind sie tausendfach größer und sogar mit bloßem Auge zu erkennen. Vierzig bis hundert Mikrometer dick und einige Zentimeter lang, ähneln sie feinsten Naturfasern, berichten Forscher aus den USA und China. Dabei sind die neuartigen Röhrchen allerdings 224 mal stärker als Baumwolle und immer noch 30 mal stärker als Kevlar, den hoch belastbaren Fasern für Maschinenteile, Sportgeräte und schusssichere Westen.

Da kolossale Kohlenstoffröhren deutlich flexibler und dehnbarer sind als die Nanoröhrchen, dürften sie sich sehr gut zu starken Stoffen spinnen und verarbeiten lassen, berichten die Forscher in der kommenden Ausgabe des Fachblatts "Physical Review Letters". Obendrein ist das Material sehr leicht und leitet elektrischen Strom, was sich mit steigender Temperatur noch erhöht, so dass es sich vermutlich um Halbleiter handelt. Damit eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten: von noch schusssichereren Westen und hochstabilen Leichtbaumaterialien über mikroelektronische Systeme bis zu belastbaren, leitfähigen Stoffen für "intelligente" Kleidung. Zudem sind diese Kohlenstoffröhren so groß, dass sie anders als die Nanoröhrchen keine Befürchtungen einer Gesundheitheitsgefährdung auslösen dürften.

Dampf ist das Ausgangsmaterial für die kolossalen Röhren, berichten Huisheng Peng und seine Kollegen vom US-amerikanischen Los Alamos National Laboratory und der chinesischen Fudan Universität. Sie erhitzten eine Mischung aus Äthylen und Paraffinöl in einem Quarzrohrofen auf 850 Grad Celsius. Per chemischer Dampfabscheidung entstand das neue Material, das sich unter dem Rasterelektronenmikroskop als Schicht aus doppelwandigen Röhrchen herausstellte. Beide Schichten sind durch regelmäßige Zwischenstege verbunden, beziehungsweise sind die nur einen Mikrometer dicken Wände von rechteckigen Poren durchzogen, die für stabile Leichtigkeit sorgen. Unter dem Transmissionselektronenmikroskop betrachtet, zeigen die Wände dieselbe Kristallstruktur wie Grafitschichten, berichten die Forscher. Und Röntgenstreuung bemisst die Abstände zwischen den Schichten auf 0,34 Nanometer, ebenfalls wie bei Grafit. In punkto Dichte entsprechen die neuen Röhren der von Kohlenstoff-Nanoschäumen von rund zehn Milligramm pro Kubikzentimeter, in punkto Zugspannung oder Bruchfestigkeit widerstehen die Belastungen von bis zu sieben Gigapascal. Ihre elektrische Leitfähigkeit beträgt bei Raumtemperatur rund 103 Siemens pro Zentimeter und steigt mit der Temperatur - Fasern aus mehrwandigen Nanoröhrchen liefern 102 Siemens pro Zentimeter.

Damit fügen die Forscher der Familie der Kohlenstoff-Materialien ein weiteres hinzu: neben dem altbekannten Grafit und Diamant und den deutlich jüngeren Geschwistern, den fußballförmigen Fullerenen, den winzigen Nanoröhrchen und den hauchdünnen Schichten namens Graphen. Allerdings ist dem Team um Peng bei all diesen viel versprechenden Eigenschaften noch unklar, wie und weshalb ihre neuartigen Röhren eigentlich entstehen. Dies wollen sie als nächstes untersuchen, um den Prozess und die Strukturen des Materials besser steuern zu können - und erste praktische Anwendungen auszutesten.