Neue Produktionsmethode liefert identische Nanoröhrchen

Transistoren, Akkus, Solarzellen oder hochfeste Seile: Nanoröhrchen aus Kohlenstoff eignen sich für zahlreiche Anwendungen. Doch bisher entsteht der vielseitige Nanowerkstoff in einer enormen Vielfalt mit über hundert verschiedenen Strukturen und unterschiedlichen Eigenschaften. Dieses Durcheinander stellte für die wirtschaftliche Nutzung eine große Hürde dar, die Wissenschaftler nun mit einem neuen Zuchtverfahren überwinden konnten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, gelang ihnen die gezielte Fertigung von Nanoröhrchen mit identischer Struktur.

Das Mikroskopbild zeigt 3 Stufen des Zuchtprozesses eines Nanoröhrchens. Auf einer genoppten Fläche, dem Substrat liegt links oben das zweidimensionale Gerüst aus regelmäßigen Sechsecken, links unten das daraus ins Dreidimensionale aufgeblähte kleine Röhrchen. Rechts mittig ist das ausgewachsene Röhrchen zu sehen.
Die gezüchteten Nanoröhrchen unter dem Mikroskop

„Winzige Variationen in der Struktur der Nanoröhrchen führen etwa zu Änderungen der elektronischen Eigenschaften“, erläutern Juan Ramon Sanchez-Valencia und seine Kollegen von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt in Dübendorf. Genau diese Variationen bekamen die Forscher nun in den Griff: Über einen vielstufigen Prozess deponierten sie spezielle aromatische Kohlenwasserstoffe als eine Art Zuchtsamen für Nanoröhrchen auf einer hochreinen Platinunterlage. Dieses Platinplättchen setzten sie in eine etwa fünfhundert Grad Celsius heiße Dampfwolke aus dem Alkohol Ethanol. Aus dieser Wolke dockten Kohlenstoffatome an die Molekülsamen an. Nach und nach wuchsen kurze, einwandige Nanoröhrchen aus purem Kohlenstoff. Dieses Wachstum konnten die Physiker mithilfe der sogenannten Raman-Spektroskopie unmittelbar verfolgen. Die fertigen Nanoröhrchen untersuchten sie außerdem mit einem Rastertunnelmikroskop. Das Ergebnis: Auf der Platinfläche wuchsen ausschließlich metallisch leitende Nanoröhrchen senkrecht in die Höhe. Alle zeigten eine völlig identische Struktur und gleiche physikalische Eigenschaften.

„Diese Arbeit von Sanchez-Valencia und seinen Kollegen repräsentiert einen herausragenden Durchbruch für die Synthese einwandiger Nanoröhrchen aus Kohlenstoff“, beurteilt James Tour von der Rice University in Houston die Relevanz dieser Forschungsergebnisse. Dies sei der erste Schritt, um Nanoröhrchen mit gewünschten Eigenschaften zu züchten. Gelingt der Weg zur Massenproduktion, würde ein gutes Kilogramm „Saatgut“ aus organischen Molekülen ausreichen, um mehr als fünf Tonnen einwandige Nanoröhrchen produzieren zu können.