Dünn und stark

News: Dünn und stark

Nanoröhrchen galten bereits als äußerst widerstandsfähig und stabil. Nun sagen Forscher voraus, dass sich die Reißfestigkeit und Stabilität der filigranen Gebilde weiter verbessern lässt. Denn während sie Kohlenstoffmoleküle an Höchstleistungsrechnern simulierten, fanden Wissenschaftler heraus, dass eine dem Diamant ähnliche Kohlenstoffstruktur noch stärkere Röhrchen hervorbringt.

Thorsten Krome

Wissenschaftler erfreuen uns seit einigen Jahren mit Nanometer-großen Röhrchen aus Kohlenstoff, die uns eindrucksvoll zeigen, welch filigrane Strukturen die Nanotechnologie hervorzubringen vermag. Bei den Röhrchen handelt es sich im Prinzip um aufgewickelte Graphitlagen. Diese Modifikation des Kohlenstoffs bildet ein sechseckiges, flaches Kristallgitter aus, und so weist auch das von ihr abstammende Röhrchen noch eine derartige Struktur auf – nur eben gerollt. Der Durchmesser der an Cannelloni erinnernden Kohlenstoffstrukturen beträgt zumeist einige Nanometer. Es wurden aber auch schon Röhrchen hergestellt, die deutlich dünner als ein Nanometer waren. Die Länge variiert dabei im Bereich einiger Mikrometer. Unübertroffen ist jedoch ihre Reißfestigkeit: Selbst Stahlseile können da nicht mithalten.

Doch offenbar lässt sich auch diese Festigkeit noch übertrumpfen. Denn Dragon Stojkovic, Peihong Zhang und Vincent Crespi von der Pennsylvania State University stolperten förmlich über eine Struktur, mit der noch stärkere Nanoröhrchen möglich sein sollen. "Das ist eine dieser zufälligen Entdeckung, die man macht, wenn man eigentlich etwas anderes untersucht", erinnert sich Crespi. Die Forscher berechneten nämlich mit Höchstleistungsrechnern des San Diego Supercomputer Center, der University of Michigan und der University of Texas die elektronische Struktur und die Energien einiger Kohlenstoffmoleküle.

Dabei entdeckten sie, dass sich so genannte sp³-hybridisierte Kohlenstoffe unter bestimmten Bedingungen ebenso gut zur Bildung von Nanoröhrchen eignen wie der sonst übliche sp²-hybridisierte Kohlenstoff. Die Hybridisierung gibt an, wie sich aus den Orbitalen der Kohlenstoffatome neue Orbitale mischen, über welche die Atome schließlich aneinander binden. Die sp²-Struktur ist flach; ihre drei bindenden Orbitale strecken sich jeweils im Winkel von 120 Grad zueinander aus. Graphit besteht beispielsweise aus sp²-hybridisiertem Kohlenstoff und bildet deshalb sein hexagonales, flaches Gitter.

Hingegen besitzt sp³-hybridisierter Kohlenstoff eine räumliche Tetraeder-Struktur mit vier Bindungsplätzen; sie kommt unter anderem im Diamant vor. Nun eignet sich ein derartige Hybridisierung eigentlich nicht sonderlich dazu, ein Nanoröhrchen auszubilden. Wenn jedoch einer der vier Bindungsplätze mit einem Wasserstoff oder Fluoratom eine starke Bindung eingeht, dann sind die übrigen drei Bindungen gerade so gekrümmt, dass sie wie geschaffen für den kleinen Durchmesser der Nanoröhrchen sind.

Und so sind denn auch die physikalischen Eigenschaften des Nachwuchs im Nanokosmos imposant. Aber wen wundert's, schließlich stand der Diamant mit seiner Gitter-Struktur Pate. "Unsere Rechnungen zeigen uns, dass diese neuen Nanoröhrchen 40 Prozent stärker sind als andere Röhrchen, die aus einer gleichen Zahl von Atomen geformt wurden", freut sich Crespi. "Es kann gut sein, dass dies sogar die härtesten Exemplare überhaupt sind." – Nur herstellen muss sie noch jemand.