News: Mehr als leicht gestärkt
Nanoröhrchen könnten die Welt der Materialien umkrempeln - wären sie nur etwas leichter zu verbauen. Ein Schönheitsfehler, der sich nun erfolgreich retuschieren lässt.
Seit ihrer Entdeckung im Jahr 1991 entwickelten sich Nanoröhrchen zu neuen Stars auf dem Gebiet der Materialwissenschaften. Ihren stetig wachsenden Ruhm verdanken die einige Mikrometer langen, röhrenförmigen Moleküle aus unzähligen verknüpften Kohlenstoffatomen dabei der ungewöhnlichen Mixtur ihre Fähigkeiten: Sie sind ebenso stabil wie leicht – eine durchaus gesuchte Kombination von Talenten.
Die dünnen Röhrchen – ihr Durchmesser übersteigt kaum zehn Nanometer – gelten als die idealen tragenden Komponenten neuer Verbundwerkstoffe. Ähnlich wie Stahlträger in Beton sollen Nanoröhrchen als stabilisierende Fasern in formbare Matrixstoffe eingegossen werden und überall dort Materialien revolutionieren, wo gleichermaßen leichte wie extrem beanspruchbare Baustoffe gefragt sind: bei Tennisschlägern oder Rennwagen-Chassis etwa.
Je mehr Nanoröhrchen dabei im Verbundstoff stecken, desto stabiler und leichter sollten die entstehenden Formen werden – theoretisch. In der Praxis erwiesen sich die talentierten Nanoröhrchen hier allerdings als ebenso zickig wie mancher Popstar. Mischt man sie in gängige Matrixmaterialien, beispielsweise in solche Polymerharze, wie sie bei glasfaserverstärkten Kunststoffen verwendet werden, dann neigen die Röhrchen dazu, sich im Gemisch aneinander anzulagern: Sie verklumpen schlicht. Bislang gelang es daher nur, relativ geringe Anteile von Nanoröhrchen in Verbundstoffe einzubringen, die sich dann allerdings als dementsprechend wenig belastbar entpuppten.
Dieses Problem ließe sich nun mit Hilfe einer neu entwickelten Produktions-Methode lösen, die ein Wissenschaftler um Nicholas Kotov von der Oklahoma State University und Andreas Hirsch von der Universität Erlangen-Nürnberg entwickelten. Ihre Verbundmaterialien stellten sie in einer Sandwich-Bauweise zusammen: Sie stapelten mehrere, wechselnde Schichten von Nanoröhrchen und Polymerkomponenten dadurch übereinander, dass sie die wachsende Form abwechselnd in eine wässrige Nanoröhrchen-Suspension und eine Polymerlösung eintauchten. Als Zwischenschritt vernetzten die Wissenschaftler dann die neu aufgebrachten Schichten jeweils mit Hilfe von Chemikalien und Hitze durch stabile Querverbindungen – die so fixierten Nanoröhrchen einer Schicht konnten nicht länger mit den übrigen Nanoröhrchen des Materials verklumpen.
Durch die neue Methode gelang es den Wissenschaftlern, Verbundstoffe zu produzieren, die fast zur Hälfte aus Nanoröhrchen bestanden – und entsprechend überragende Materialeigenschaften zeigten: Sie erwiesen sich als sechsmal stärker als konventionelle Kohlenfaserverbundstoffe und ebenso hart wie Siliciumcarbid oder Tantalcarbid, die bei der Herstellung extrem belastbarer Bauteile von Schneidewerkzeugen, Düsenmotoren oder der Weltraumtechnik genutzt werden.
Das Eintauchverfahren und die zwischengeschalteten Vernetzungsschritte von Kotov und Co scheinen zudem leicht automatisierbar zu sein. Einer breiteren Anwendung von Nanoröhrchen-Materialien steht daher jetzt offenbar nur noch ein Hindernis gegenüber, das einige Forscherteams weltweit bislang noch umsonst zu umgehen suchen: der Preis des Werkstoff-Stars. Denn Nanoröhrchen selbst sind bislang nur unter hohem Kostenaufwand zu produzieren.
Die dünnen Röhrchen – ihr Durchmesser übersteigt kaum zehn Nanometer – gelten als die idealen tragenden Komponenten neuer Verbundwerkstoffe. Ähnlich wie Stahlträger in Beton sollen Nanoröhrchen als stabilisierende Fasern in formbare Matrixstoffe eingegossen werden und überall dort Materialien revolutionieren, wo gleichermaßen leichte wie extrem beanspruchbare Baustoffe gefragt sind: bei Tennisschlägern oder Rennwagen-Chassis etwa.
Je mehr Nanoröhrchen dabei im Verbundstoff stecken, desto stabiler und leichter sollten die entstehenden Formen werden – theoretisch. In der Praxis erwiesen sich die talentierten Nanoröhrchen hier allerdings als ebenso zickig wie mancher Popstar. Mischt man sie in gängige Matrixmaterialien, beispielsweise in solche Polymerharze, wie sie bei glasfaserverstärkten Kunststoffen verwendet werden, dann neigen die Röhrchen dazu, sich im Gemisch aneinander anzulagern: Sie verklumpen schlicht. Bislang gelang es daher nur, relativ geringe Anteile von Nanoröhrchen in Verbundstoffe einzubringen, die sich dann allerdings als dementsprechend wenig belastbar entpuppten.
Dieses Problem ließe sich nun mit Hilfe einer neu entwickelten Produktions-Methode lösen, die ein Wissenschaftler um Nicholas Kotov von der Oklahoma State University und Andreas Hirsch von der Universität Erlangen-Nürnberg entwickelten. Ihre Verbundmaterialien stellten sie in einer Sandwich-Bauweise zusammen: Sie stapelten mehrere, wechselnde Schichten von Nanoröhrchen und Polymerkomponenten dadurch übereinander, dass sie die wachsende Form abwechselnd in eine wässrige Nanoröhrchen-Suspension und eine Polymerlösung eintauchten. Als Zwischenschritt vernetzten die Wissenschaftler dann die neu aufgebrachten Schichten jeweils mit Hilfe von Chemikalien und Hitze durch stabile Querverbindungen – die so fixierten Nanoröhrchen einer Schicht konnten nicht länger mit den übrigen Nanoröhrchen des Materials verklumpen.
Durch die neue Methode gelang es den Wissenschaftlern, Verbundstoffe zu produzieren, die fast zur Hälfte aus Nanoröhrchen bestanden – und entsprechend überragende Materialeigenschaften zeigten: Sie erwiesen sich als sechsmal stärker als konventionelle Kohlenfaserverbundstoffe und ebenso hart wie Siliciumcarbid oder Tantalcarbid, die bei der Herstellung extrem belastbarer Bauteile von Schneidewerkzeugen, Düsenmotoren oder der Weltraumtechnik genutzt werden.
Das Eintauchverfahren und die zwischengeschalteten Vernetzungsschritte von Kotov und Co scheinen zudem leicht automatisierbar zu sein. Einer breiteren Anwendung von Nanoröhrchen-Materialien steht daher jetzt offenbar nur noch ein Hindernis gegenüber, das einige Forscherteams weltweit bislang noch umsonst zu umgehen suchen: der Preis des Werkstoff-Stars. Denn Nanoröhrchen selbst sind bislang nur unter hohem Kostenaufwand zu produzieren.
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