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Nanotechnologie: Tollen auf Nanomatratzen

Wer hat als Kind nicht gerne auf den Betten herumgehüpft? Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten den Spaßfaktor bald noch steigern. Doch bislang vergnügen sich damit nur einige Wissenschaftler in ihren Laboratorien.
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Pulickel Ajayan, Henry-Burlage-Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am Rensselaer Polytechnischen Institut zwischen der 8. und der 16. Straße in Troy, einer Nachbarstadt von New York City und Heimat der amerikanischen Nationalfigur Uncle Sam, zerbricht sich regelmäßig den Kopf, um den kleinsten der Kleinen das Leben so erträglich wie möglich zu machen. Ajayan ist Nanotechnologe. Erst kürzlich fiel er dadurch auf, dass er mikroskopisch kleine Bürstchen und Pinselchen entwickelte, mit denen sich selbst in den winzigsten Ecken und Nischen sauber machen lässt.

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Nanobürste | Mit chemischer Gasphasenabscheidung befestigten die Forscher mehrere 16 Mikrometer dicke, teilweise mit Gold beschichtete Siliziumcarbid-Fasern mit einer Unzahl von jeweils 30 Nanometer dicken und mehrere Mikrometer langen Kohlenstoffröhrchen – fertig war die Bürste.
Nun hat er einen neuen Coup gelandet. Zusammen mit Anyuan Cao von der Universität von Hawaii und weiteren Kollegen von der Universität von Florida hat er ein schaumstoffartiges Material aus unzähligen parallel verlaufenden Nanoröhrchen geschaffen, mit dem er beispielsweise kleine Kisschen herstellen kann.

Seit der Entdeckung der (mehrwandigen) Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Jahre 1991 durch den japanischen Physiker Sumio Iijima, der diese neuartige Kohlenstoff-Verbindung zufällig unter einem Elektronenmikroskop ausmachte, sind Heerscharen von Ingenieuren und Technikern dabei, Anwendungen dafür zu ersinnen. Denn den Kohlenstoff-Halmen werden außergewöhnliche mechanische und elektrische Eigenschaften zugeschrieben: Leiten sie doch – zumindest prinzipiell – Ströme nahezu 1000-mal besser als Kupfer- oder Silberdrähte und Wärme etwa doppelt so gut wie Diamanten. Daher konzentrieren sich viele Wissenschaftler aus dieser Ingenieursdisziplin beispielsweise auf die Herstellung miniaturisierter Nanotransistoren und andere Bauelemente für hochintegrierte Schaltkreise oder auf (kalte) Elektronenquellen für hochauflösende Flachbildschirme sowie auf das Ersinnen kompakter Wasserstoff-Speicher für Brennstoffzellen-Fahrzeuge.

Elastische Nano-Fasern unter DruckLaden...
Elastische Nano-Fasern unter Druck | Eine Geflecht aus elastischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen bildet ein hervorragendes Dämmmaterial.
Cao und sein Lehrmeister Ajayan, bei dem er einige Jahre als Postdoktorand gearbeitet hat, interessieren sich dagegen eher für die mechanischen Eigenschaften der Nanoröhren. Weisen sie doch beispielsweise eine Zugfestigkeit von 45 bis über 60 Milliarden Pascal auf – was mehr als 20-mal höher ist als die von Stahl. Gleichzeitig sind die Kohlenstoff-Halme gut fünfmal leichter.

Nun haben die beiden Tüftler ein Flies aus zickzackförmigen Nanoröhrchen entwickelt, die einzeln wie Sprungfedern arbeiten, sich jedoch als ungleich elastischer herausstellen, als die in Betten oder in Autostoßdämpfern verwendeten. "Diese Nanostrukturen lassen sich auf bis zu 15 Prozent ihrer ursprünglichen Länge zusammenstauchen", behauptet Cao. Damit haben sie einen schaumartigen Stoff kreiert, der nachgiebiger ist als alle bekannten vergleichbaren Materialien.

Zwar erholen sich die Nanoröhrchen in dem Flies nicht vollständig von der Tortur des Zusammenpressens. Zunächst verkürzen sie sich ein wenig. Doch bleiben sie nach einiger Zeit äußerst formstabil. Haben sie erst einmal ihre endgültige Länge erreicht, ändert sie sich auch nach mehreren tausend Zyklen nicht mehr. Abgesehen davon entspannen sich die Sprungfederchen verhältnismäßig rasch wieder, wenn die Druckkräfte nachlassen. Darüber hinaus sind sie äußerst resistent gegenüber Chemikalien, Feuchtigkeit oder hohen Temperaturen.

Nach Ansicht der Forscher eignen sie sich deshalb ebenso vorzüglich für flexible elektromechanische Kontakte. Doch vorzugsweise sollen ihre neuen Materialien als hocheffizientes Dämmmaterial oder als Stoßabsorber dienen. Nach Angaben der Wissenschaftler sind sie darin Latex, Gummi oder anderen elastischen Fasern – beispielsweise aus Polyurethan – weitaus überlegen.

Nur an der Größe ihrer Fliesstoffe müssen die Forscher noch arbeiten. Bislang liegen die Flächen, die sie hergestellt haben, typischerweise in der Größenordnung von einem halben bis zu zwei Quadratzentimetern. Gerade groß genug, damit ein Zwerg seinen Kopf darauf betten kann.

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