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Materialwissenschaft: Hart wie Stahl und gummiweich

Oh, wunderbare Welt der Nanoröhrchen! Bei der Forschung an den winzigen Tausendsassas purzeln regelmäßig die Rekorde: Ein neues Material ist leicht wie Luft, hart wie Stahl und dehnbarer als Gummi. Eines Tages könnte es als künstlicher Muskel dienen.
Fasern aus NanoröhrchenLaden...
Sie sind zum Inbegriff des Hightech geworden. Nur wenige millionstel Millimeter dicke Schläuche aus reinem Kohlenstoff lassen fast jedes andere Material alt aussehen. Sie sind billig, leicht herzustellen, haben ausgesuchte elektrische Eigenschaften und sind stabil wie ein Diamant. Wäre da nicht das Problem, dass sie ihre Überlegenheit meist nur in der Welt des ganz, ganz Kleinen ausspielen – nomen est eben omen: Nanoröhrchen.

Weil es dabei natürlich nicht bleiben soll, suchen Wissenschaftler weltweit nach Wegen, die Nützlichkeit der Röhrchen auf den großen Maßstab zu übertragen. Gelingt dies, finden sie meist Materialien, die einem Zukunftsroman entsprungen sein könnten. Jetzt hat ein Forscherteam um Ali Aliev von der University of Texas in Dallas aus einem Gestrüpp solcher Röhrchen meterlange Streifen hergestellt [1]. Und wieder purzeln die Rekorde. Ihre Bänder bestehen aus fast nichts als Luft und sind entsprechend leicht und dünn. Wenn man sie in die Länge ziehen will, halten sie mit der Kraft eines gleich schweren Stücks Stahl dagegen. Zieht man sie indessen in die Breite, geben sie nach wie kein anderes Material, viel stärker noch als Gummi.

Doch was wirklich in ihnen steckt, offenbarten Alievs Stahlgummiluftbänder, als die Forscher sie zwischen zwei Elektroden spannten. Unter Strom gesetzt, bauschte sich das Band in der Mitte wie ein Ballon auf, offenbar weil sich die einzelnen miteinander verflochtenen Röhrchen abstoßen, wenn sie geladen sind. Die Dehnung um das Dreifache in der Breite bewirkt eine Kontraktion in der Länge – die Nanoröhrchen verhalten sich wie ein Muskel.
© Science Technology Education Media
Die Nanobänder unter Strom
Wenn unter Spannung gesetzt, dehnen sich die Bänder aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen um ein Vielfaches in ihrer Breite aus.

Tatsächlich hoffen die Forscher um Aliev, dass mit ihrem Material bald medizinische Geräte zupacken werden, implantierte Herzen schlagen oder Roboter ihren künstlichen Bizeps spannen. Leider kommt derzeit vor allem die ungünstigere ihrer beiden Eigenschaften zum Tragen: Statt hart wie Stahl sind die Muskeln eher weich wie Gummi. Kraft und Ausmaß der Längenkontraktion sind schlichtweg zu klein. Gelänge es allerdings, die einzelnen Röhrchen dichter zusammenzupacken, rechnet Aliev vor, ließe sich pro Volumen die 32-fache Kraft eines biologischen Muskels erreichen.

Damit könnte ihre Erfindung nicht nur stärker sein als ein Muskel, bereits jetzt reagiert sie phänomenal schnell auf den elektrischen Reiz: Während sich ein biologischer Muskel um rund 50 Prozent pro Sekunde ausdehnt, vollziehen die Nanoröhrchenbündel ihre Größenänderung mit 37 000 Prozent pro Sekunde.
© Science Technology Education Media
Die Muskelarbeit als Animation
In der Animation erkennt man, wie sich bei Anlegen einer Spannung die einzelnen Fasern voneinander abstoßen. Die enorme Dehnbarkeit des Materials in horizontaler Richtung geht auf die Anordnung von hauptsächlich längs ausgerichteten Röhrchen mit einigen quer dazu liegenden aus.

Selbst Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt können ihnen nichts anhaben, ebenso wenig Hitze von weit über 1000 Grad Celsius. Außerdem sind sie transparent und elektrisch leitfähig. Ihre Herstellung wirkt verblüffend einfach: Per Hand lassen sich die Streifen von einer mit mehrwandigen Nanoröhrchen bedeckten Glasplatte abziehen. Die Röhrchen richten sich dabei nach der Längsachse des Streifens aus und verfilzen sich miteinander.

Und sollte es mit der Verwendung als Muskeln doch nicht klappen – sein Pulver hat das Supermaterial längst nicht verschossen: Flugzeugentwickler dürften angesichts der vielen vortrefflichen Eigenschaften begeistert in die Hände klatschen, findet John Madden von der University of British Columbia in Vancouver [2]. Gewichtseinsparungen von 90 Prozent wären denkbar. Angesichts der enormen Hitzetoleranz kommen auch Raumfahrtanwendungen in Frage.

Die Asymmetrie in Länge und Breite lädt förmlich dazu ein, sie zu dreidimensionalen Strukturen zu kombinieren. Madden spekuliert auf maßgeschneiderte Eigenschaften. Und weil die Transparenz je nach angelegter Spannung variiert, könnten bereits mittelfristig optische Geräte und Solarzellen von ihrem Einsatz profitieren. In der wunderbaren Welt der Nanoröhrchen scheint es nur eine Grenze zu geben: die Vorstellungskraft der Ingenieure.
13. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 13. Woche 2009

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  • Quellen
[1] Aliev, A. et al.: Giant-stroke, Supereleastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles. In: Science 323, S. 1575–1578, 2009.
[2] Madden, J.: Stiffer Than Steel. In: Science 323, S. 1571–1572, 2009.

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