Stabile Nanobänder durch Selbstorganisation

Jan Oliver Löfken

Grafik: Dünne grün-gelbe röhrenartige Schichten übereinander, in deren Inneren man eine Molekülstruktur erkennen kann, eingefasst von lilafarbenen Schichten

J. Ortony/MIT

Verzwirbelte Fäden aus Kohlenstoffnanoröhrchen oder aufgerollte Graphenschichten sind nur zwei Möglichkeiten, um extrem zugfeste Fasern zu produzieren – doch das sind nicht die einzigen. Materialforscher fanden nun einen Weg, um hochstabile Nanobänder aus organischen Substanzen durch molekulare Selbstorganisation herzustellen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, hielten die wenige Nanometer breiten Fäden sogar Lasten von etwa dem Zweihundertfachen des Eigengewichts aus.

Julia Ortony vom Massachusetts Institute of Technology und ihre Kollegen wählten für ihr neuartiges Nanomaterial ein sogenanntes Aramid. Solche organischen Verbindungen, aus denen auch Kevlar besteht, werden unter anderem für Schnittschutzhosen verwendet und bestehen aus langen Molekülketten. An ihren Enden sind die Ketten der verwendeten Aramide teilweise elektrisch geladen und ziehen sich abhängig von der Ladung gegenseitig an oder stoßen sich ab. Während des Herstellungsprozesses in Wasser ordneten sich die Moleküle aufgrund dieser Kräfte völlig selbstständig an. Dank dieser molekularen Selbstorganisation entstanden winzige Nanobänder, die etwa vier Nanometer breit und bis zu 20 000 Nanometer lang waren. Bei Belastungsproben mit einem Rasterkraftmikroskop wiesen sie eine hohe Flexibilität und eine Reißfestigkeit von bis zu 1,9 Gigapascal auf. Das entspricht einer höheren Stabilität als der von Titan- oder Stahllegierungen.

Aus den Nanobändern fertigten Ortony und ihre Kollegen Fasern mit der Länge von wenigen Zentimetern. Diese Bänder trugen sogar das rund Zweihundertfache ihres Eigengewichts. Neben der hohen Zugfestigkeit verfügt dieses leichte Nanomaterial außerdem über eine sehr große Oberfläche. Ein Gramm des Materials hat eine Oberfläche von mehreren Hundert Quadratmetern. Damit ließe es sich möglicherweise als flexible und zugleich extrem stabile Membran verwenden.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2021/stabile-nanobaender-durch-selbstorganisation/