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Chemische Entdeckung: Kohlenstoff-Nanoröhrchen können auch bunt

Die winzigen Kohlenstoffröhrchen sind normalerweise eher grau bis schwarz. Doch man kann sie auch farbig wachsen lassen - und zwar erstaunlich einfach, fanden finnische Forscher.
Kohlenstoffnanoröhren-Filme in einigen Schattierungen des Regenbogens

Ein dünner Film aus Kohlenstoff-Nanoröhren ist in aller Regel einfach grau oder schwarz. Ja, wenn man es richtig anstellt, kann man mit Hilfe der Röhrchen sogar das schwärzeste Schwarz der Welt produzieren. Allerdings haben finnische Forscher nun herausgefunden: Wenn man es richtig anstellt, kann man sie auch bunt wachsen lassen, zumindest in einem matten Grün- und Braunton. Wie, erläutert das Team von der Universität Aalto im »Journal of the American Chemical Society«. Eine kleine Menge Kohlendioxid während des Wachstums der Röhren mache den Unterschied, schreiben darin Esko Kauppinen und seine Kollegen.

Die Wissenschaftler züchten die einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer gebräuchlichen Variante der chemischen Gasphasenabscheidung, bei der die Röhren unter starker Hitze in einer Reaktionskammer wachsen. Das Baumaterial liefert Kohlenmonoxid, als Keime für das Wachstum der Röhren dienen Metallnanopartikel, die als Aerosol vorliegen. Der entscheidende Clou findet sich in einer geringen Beimengung von CO2. Bei einem Anteil von 0,25 Volumenprozent bildeten die Röhrchen einen grünen Film, stieg der Anteil auf 0,37 Prozent, einen braunen. Ab 0,5 Prozent ergab sich wieder das übliche Silbergrau, das man auch ganz ohne Kohlendioxid erhält.

Wie genau das Geflecht aus den wenigen Nanometer dicken Schläuchen seine Farbigkeit bekommt, ist noch nicht im Detail verstanden. Vermutlich hängt es mit der »Händigkeit«, der so genannten Chiralität der Röhren und ihrem Durchmesser zusammen. Denn wie die Forscher feststellten, führte jede CO2-Konzentration dazu, dass primär Nanoröhrchen einer bestimmten Chiralität entstanden. Auch der Durchmesser variierte in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis.

Dass sich Nanoröhrchen unterschiedlicher Chiralität auch in ihren Eigenschaften unterscheiden, ist bereits seit Langem bekannt. Manche dieser Eigenschaften sind beispielsweise für einen Einsatz in der Elektronik wünschenswert, andere dagegen höchst unerwünscht. Auch einen Hinweis auf Farbigkeit hatten frühere Studien schon geliefert. Doch hatte es sich in der Vergangenheit als schwer erwiesen, Röhrchen mit uniformer Chiralität herzustellen, insbesondere in so großen Mengen, dass sie als farbiger Film zu sehen sind. Dass dies bei ihrem Verfahren vergleichsweise einfach zu funktionieren scheint, sehen die Wissenschaftler als viel versprechend für die Weiterentwicklung der Nanotechnologie an.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben dieselbe bienenwabenartige Struktur wie Graphen, sind also ebenfalls ein Atom dicke Folien aus Kohlenstoff. Im Unterschied zum Graphen, das als zweidimensionales Blatt vorliegt, sind sie allerdings zu einer Röhre aufgerollt. Ihre Chiralität wird dabei durch den Winkel festgelegt, in dem die Waben zur Längsrichtung der Röhre orientiert sind.

35/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 35/2018

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