Direkt zum Inhalt

Nanotechnologie: Verbeulte Nanos

Eigentlich ist es keine große Überraschung. Dennoch sind die nun gefundenen Zwitter aus Fullerenen und Nanoröhrchen eine grandiose Entdeckung, die die Nanowelt bereichern.
Nanobuds
Bei oberflächlicher Betrachtung sieht es so aus, als läge eine hässliche Schmutzschicht aus Kohlenstoff auf den Nanoröhren, die Albert Nasibulin von der Technischen Universität Helsinki zusammen mit Kollegen aus Japan, Korea, Russland, Großbritannien und den Vereinigten Staaten hergestellt hat.

Mit zwei unterschiedlichen Verfahren wollten die Forscher in verhältnismäßig einfachen, kontinuierlichen Prozessen Nanostrukturen erschaffen: Eisen-Katalysatoren sollten dazu entweder mit Kohlenmonoxid reagieren oder die Nanogebilde sollten durch das Zerlegen von dampfförmigen Ferrocen entstehen – einer organischen Substanz, bei der zwei aromatische Kohlenstoffwasserstoffringe sandwichartig durch ein Eisen-Atom miteinander verbunden sind. Als weitere Ingredienzien gaben die Experimentatoren Spuren von Wasserdampf und Kohlendioxid hinzu. Doch statt schön glatter Objekte entstanden knubbelig belegte Nanoröhrchen.

Ein lohnender Blick

Eine Enttäuschung? Mitnichten: Als die Forscher mit dem Elektronenmikroskop etwas genauer hinsahe, zeigte sich zu ihrer größten Überraschung, dass ein Großteil des "Schmutzes" aus kugelförmigen Kohlenstoff-Verbindungen besteht, die unter dem Namen Fulleren bekannt sind oder die nach den geodätischen Kuppeln des amerikanischen Architekten Richard Buckminster Fuller auch Buckyballs genannt werden. Solche Zwitterwesen aus Fullerenen und Nanoröhrchen hatten die Wissenschaftler vorher noch nie gesehen.

Nanobuds | Verbindungen aus Buckyballs und einwandigen Nanoröhren: (a) Ein C-42-Fulleren haftet über eine so genannte Ester-Verbindung an einer Nanoröhre (b) Ein C-60-Buckyball verbunden über eine "Kohlenstoffbrücke" aus zwei respektive vier Atomen (c). (d) und (e) Hybridstrukturen, die an Knospen an Zweigen erinnern. Daher tauften die Wissenschaftler ihre Entdeckungen auch "Nanoknospen". Die Farben der Atome deuten die relativen Bindungsenergien an.
Die zumeist aus 42 respektive 60 Kohlenstoff-Atomen bestehenden, fußballähnlichen Objekte waren fest mit den Wänden der Nanoschläuche verwachsen. Es kamen aber auch Vertreter der kleinsten Gattung von nur zwanzig Kohlenstoff-Atomen vor, die einen Zwölfflächner oder Dodekaeder bildeten. Alle waren – wie die Experimentatoren recht bald zeigen konnten – über stabile, kovalente Elektronenpaarbindung mit den Oberflächen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbunden: entweder bestand eine Art Kohlenstoffbrücke zwischen den Buckyballs und den einwandigen Nanohülsen, oder die kugeligen Objekte waren regelrecht mit deren Oberflächen verwachsen, sodass sie die sonst so perfekten Rundungen an diesen Stellen ausbeulten.

Nach Erkenntnissen der Wissenschaftler entstehen die einwandigen Nanoröhren zur gleichen Zeit auf den Eisen-Katalysatoren wie die Buckyballs und verbinden sich dann beide miteinander zu den Nanobuds, wie die Wissenschaftler die Gebilde tauften. Durch Variation der Wasser- und der Kohlendioxidkonzentration bei der Herstellung der Nanostrukturen konnten die Materialwissenschaftler die Dichte der "Pocken" auf den Nanoröhren recht einfach beeinflussen. Bei einer Wasserdampfkonzentration zwischen 45 und 245 Teilen pro einer Million (ppm) im Brutreaktor sowie zwischen 2000 und 6000 ppm für Kohlendioxid erreichten die Laboranten die höchste Fullerendichte an den Nanohülsen: ein Buckyball pro Nanometer. Damit glich die gesamte Oberfläche einer lückenlosen Buckelpiste. Zudem fanden die Wissenschaftler in allen Nanobud-Proben Sauerstoff-Atome. Untersuchungen des Teams ergaben, dass die Fullerene bis zu drei Atome dieses chemischen Bestandteils unserer Luft enthielten.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Die Nanobuds dürften wohl mit einigen neuen physikalischen sowie chemischen Eigenschaften aufwarten. Nach Ansicht der Forschergruppe könnten sie daher beispielsweise eine interessante Quelle für die Aussendung von kalten, also langsamen und energiearmen Elektronen sein, weil die elektrisch negativ geladenen Teilchen die Knubbel recht leicht verlassen können.

Da die Fullerene zudem eine höhere chemische Reaktivität zeigen und sich deren Konzentration auf den Nanohülsen durch den Herstellungsprozess recht simpel einstellen lässt, eröffnen die Nanobuds nach Meinung der Experimentatoren zugleich neue Möglichkeiten einer Art funktionalen Chemie. Und da die Buckel zudem wie Anker wirken, ließen sich nach Ansicht des Forscherteams daraus ebenso Kompositmaterialien mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften herstellen. Darüber hinaus könnten sich eventuell sogar gezielt optische oder elektrische Eigenschaften nach Wunsch erzielen lassen, was für Speichermedien elektronischer Daten ebenso interessant sein könnte wie für abstimmbare Quantenpunkte, die einst in Quantencomputern Rechenoperationen durchführen sollen.

Zumindest glauben die Wissenschaftler, dass sich in recht kurzer Zeit reale Anwendungen für ihre Entdeckungen finden werden, zumal der Herstellungsprozess weder kompliziert noch teuer ist. Ferner lassen sich die Nanobuds leicht auf Substrate aufbringen. Den Ingenieuren, Physikern und Technikern liegt mit den Nanoknospen nun ein grundsätzlich neues Material vor. Man kann gespannt sein, was alles daraus entsteht.

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte