MEM-Modul - Swiss Nano Cube

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MEM-Modul / Gesamtversion Kohlenstoffnanoröhren, auch CNT (englisch = carbon nanotubes), sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff. Ihre Wände bestehen wie die der Fullerene nur aus Kohlenstoff, wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen. Der Durchmesser der Röhren liegt meist im Bereich von 1 bis 50 nm, es wurden aber auch Röhren mit nur 0,4 nm Durchmesser hergestellt. Längen von mehreren Millimetern für einzelne Röhren und bis zu 20 cm für Röhrenbündel wurden bereits erreicht. Man unterscheidet zwischen ein- und mehrwandigen, zwischen offenen oder geschlossenen Röhren (mit einem Deckel, der einen Ausschnitt aus einer Fullerenstruktur hat) und zwischen leeren und gefüllten Röhren (beispielsweise mit Silber, flüssigem Blei oder Edelgasen). Eigenschaften: Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Röhre metallisch oder halbleitend; es sind auch Kohlenstoffröhren bekannt, die bei tiefen Temperaturen supraleitend sind. Transistoren und einfache Schaltungen wurden bereits mit den halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Die Forschung sucht nun nach Möglichkeiten, komplexe Schaltkreise aus verschiedenen Kohlenstoffnanoröhren gezielt herzustellen. Die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren sind überragend: Einwandige CNTs haben eine Dichte von 1,3 bis 1,4 g/cm³, mehrwandige CNTs von 1,8 g/cm³ und eine Zugfestigkeit von 30 GPa bei einwandiger und bis zu 63 GPa bei mehrwandiger Ausführung. Stahl hat eine Dichte von etwa 7,8 g/cm³ und eine maximale Zugfestigkeit von 2 GPa. Daraus ergibt sich für mehrwandige CNTs rechnerisch ein ca. 135-mal so gutes Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte wie für Stahl. Der Elastizitätsmodul liegt bei bis zu 1 TPa. Stahl besitzt einen Elastizitätsmodul von 210 GPa, somit liegt der von CNTs ca. 5 Mal so hoch. Das gilt jedoch nur für relativ kleine Abschnitte von Kohlenstoffnanoröhren (wenige mm). Für die Elektronikindustrie sind vor allem die Strombelastbarkeit und die Wärmeleitfähigkeit interessant: Erstere beträgt schätzungsweise das 1000-fache der Belastbarkeit von Kupferdrähten, letztere ist bei Raumtemperatur mit 6000 W/m·K mehr als 2,5 Mal so hoch wie die von natürlichem Diamant mit 2190 W/m·K, dem besten natürlich vorkommenden Wärmeleiter. Da CNTs auch Halbleiter sein können, lassen sich aus ihnen Transistoren fertigen, die höhere Spannungen und Temperaturen als Siliziumtransistoren aushalten. Erste experimentelle, funktionsfähige Transistoren aus CNTs wurden bereits hergestellt. Herstellung: Die Verfahren zur Herstellung von CNTs, die derzeit am häufigsten eingesetzt werden, sind Lichtbogenentladung, Laserverdampfung und chemische Gasphasenabscheidung. Bei der Herstellung durch Lichtbogenentladung wird unter Heliumatmosphäre ein Lichtbogen zwischen zwei Graphitelektroden erzeugt. Dabei entstehen CNTs, die sich mit dem Russ an der Kathode ablagern. Dabei müssen die Prozessparameter so eingestellt werden, dass möglichst viele CNTs derselben Grösse entstehen. Das Wachstum der CNTs kann durch Hinzufügen eines metallischen Katalysators verstärkt werden. Das zweite Verfahren zur Herstellung von CNTs ist die Laserverdampfung von Kohlenstoff aus einem Graphitblock heraus. Dazu wird ein Laserstrahl auf den Graphitblock gerichtet. Die herausgelösten Kohlenstoffpartikel werden mit Argon zu einer wassergekühlten Kupferelektrode transportiert, an der die CNTs wachsen. Ein weiteres Herstellungsverfahren, stellt die chemische Gasphasenabscheidung dar. Dabei werden Nickelpartikel mit einem Durchmesser von etwa 30 nm auf ein Trägermaterial gegeben. Darüber wird Kohlenstoff verteilt, der sich durch Erhitzung oberhalb von 1000 °C in Röhren anordnet, die Abmessungen im Nanometerbereich haben. Anwendungen: © Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 51/125
MEM-Modul / Gesamtversion Die Kombination der aussergewöhnlichen Eigenschaften ermöglicht die Entwicklung für ganz neue Anwendungsfelder: � Aktuator (künstlicher Muskel) � Verstärkung für Verbundwerkstoffe (CNT Nanocomposites) � Füllstoff für elektrisch leitenden Kunststoff (Blitzschlag- und elektrostatischer Aufladungsschutz) � Elektronische Nanokomponenten (Dioden, Transistoren etc.) � Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen � Batterien mit erhöhter Lebensdauer � Sensoren für giftige Gase © Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 52/125
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