News: Spitzenwachstum
Eigentlich ist es gar nicht so kompliziert, Nanofäden aus Kohlenstoff zu spinnen. Doch welche Prozesse sich dabei auf mikroskopischer Ebene abspielen, lag bislang im Dunklen.
© (Ausschnitt)
Ein paar winzige Nickelpartikel und heißen Kohlenwasserstoffdampf – mehr braucht es nicht, um lange, Nanometer dünne Kohlenstofffäden herzustellen. Das Metall, das wussten Forscher bereits, dient dabei als Katalysator und bewirkt irgendwie das Wachstum der Fasern. Doch was passiert im Detail?
Wo verbleibt beispielsweise der Nickelpartikel? Klebt er am Anfang des Fadens oder bewegt er sich mit dem wachsenden Filament nach vorne mit? Fragen über Fragen, die Wissenschaftler umtreiben. Doch Antworten suchten sie bisher vergeblich, denn beobachten lässt sich der Prozess nur schwerlich.
Doch genau das ist nun Stig Helveg und seinen Kollegen von der Technischen Universität von Dänemark in Lyngby gelungen. Die Forscher haben mit ihrem hochauflösenden Transmissions-Elektronen-Mikroskop in Echtzeit Bilder von dem Prozess geschossen und konnten somit erstmals etwas Licht auf den Prozess werfen.
Dabei stellten sie unter anderem fest, dass sich der Nickelnanopartikel tatsächlich immer vorneweg an der Spitze des Fadens entlang hangelt. Es handelt sich also zumindest bei Kohlenstofffasern um ein echtes Spitzenwachstum. Mehr noch: Der Partikel streckt sich und schrumpft periodisch, während der Faden immer länger wird. Wie es aussieht, sorgt aber gerade diese regelmäßige Bewegung dafür, dass die Faser wie von selbst weiter "gesponnen" wird.
Der Prozess selbst wird durch die Reaktion des Methans angetrieben, das an der Oberfläche des Metalls dissoziiert und dessen Kohlenstoff sich im Schwanz anlagert. Der gedehnte Nickelpartikel wirkt dabei wie eine Schablone, an der sich die Kohlenstoffatome ausrichten können. Das erklärt denn auch, warum größere Partikel nicht so sehr als "Spindel" taugen. Sie sind schlicht nicht elastisch genug, um die stete Formveränderung mitmachen zu können. Und noch eines wird deutlich: Ist der komplette Partikel mit Kohlenstoff überzogen, dann bricht das Wachstum des Fadens ab. Es muss also stets zumindest eine Ecke des Metallkügelchens frei bleiben, um den Prozess in Gang zu halten.
Kollegen wie Pulickel Ajayan, seines Zeichens Materialwissenschaftler vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, zeigen sich von der Arbeit der Forscher beeindruckt. Allerdings, so meint Ajayan, könnte der beobachtete Prozess natürlich auch allein auf das untersuchte System beschränkt sein. Bei anderen Materialien könnte sich alles ganz anders abspielen.
Wo verbleibt beispielsweise der Nickelpartikel? Klebt er am Anfang des Fadens oder bewegt er sich mit dem wachsenden Filament nach vorne mit? Fragen über Fragen, die Wissenschaftler umtreiben. Doch Antworten suchten sie bisher vergeblich, denn beobachten lässt sich der Prozess nur schwerlich.
Doch genau das ist nun Stig Helveg und seinen Kollegen von der Technischen Universität von Dänemark in Lyngby gelungen. Die Forscher haben mit ihrem hochauflösenden Transmissions-Elektronen-Mikroskop in Echtzeit Bilder von dem Prozess geschossen und konnten somit erstmals etwas Licht auf den Prozess werfen.
Dabei stellten sie unter anderem fest, dass sich der Nickelnanopartikel tatsächlich immer vorneweg an der Spitze des Fadens entlang hangelt. Es handelt sich also zumindest bei Kohlenstofffasern um ein echtes Spitzenwachstum. Mehr noch: Der Partikel streckt sich und schrumpft periodisch, während der Faden immer länger wird. Wie es aussieht, sorgt aber gerade diese regelmäßige Bewegung dafür, dass die Faser wie von selbst weiter "gesponnen" wird.
Der Prozess selbst wird durch die Reaktion des Methans angetrieben, das an der Oberfläche des Metalls dissoziiert und dessen Kohlenstoff sich im Schwanz anlagert. Der gedehnte Nickelpartikel wirkt dabei wie eine Schablone, an der sich die Kohlenstoffatome ausrichten können. Das erklärt denn auch, warum größere Partikel nicht so sehr als "Spindel" taugen. Sie sind schlicht nicht elastisch genug, um die stete Formveränderung mitmachen zu können. Und noch eines wird deutlich: Ist der komplette Partikel mit Kohlenstoff überzogen, dann bricht das Wachstum des Fadens ab. Es muss also stets zumindest eine Ecke des Metallkügelchens frei bleiben, um den Prozess in Gang zu halten.
Kollegen wie Pulickel Ajayan, seines Zeichens Materialwissenschaftler vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, zeigen sich von der Arbeit der Forscher beeindruckt. Allerdings, so meint Ajayan, könnte der beobachtete Prozess natürlich auch allein auf das untersuchte System beschränkt sein. Bei anderen Materialien könnte sich alles ganz anders abspielen.
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