Kohlenstoffnanoröhren: Pionier für ultra-starke, ultra-leichte Materialien

Was ist 100-mal stärker als Stahl, aber leichter als Aluminium? Kohlenstoffnanoröhren gehören zu den stärksten jemals entdeckten Materialien, doch Ingenieure fangen erst an, ihr volles Potenzial zu erschließen.

Kohlenstoffnanoröhren sind ein Allotrop von Kohlenstoff, was bedeutet, dass sie eine von mehreren möglichen Anordnungen von Atomen sind, die Kohlenstoff annehmen kann. In der Natur kommt reiner Kohlenstoff entweder als Graphit vor, ein weicher, blättriger Feststoff, oder als Diamant, der transparent und das härteste natürlich vorkommende Material ist.

Kohlenstoffnanoröhren sind enger mit Graphit verwandt als mit Diamant. Obwohl Graphit sehr weich ist, besteht es aus Schichten von Kohlenstoffatomen, die in einatomdicken Blättern angeordnet sind. Diese einzelnen Schichten nennt man Graphen, und Kohlenstoffnanoröhren entstehen, wenn man ein Graphenblatt zu einem Rohr aufrollt.

Graphen ist für sich genommen ein bemerkenswertes Material. Wie Kohlenstoffnanoröhren ist es unglaublich stark. Der Nobelpreis für Physik 2010 ging an das Team, das erstmals ein Graphenblatt isolierte. Graphen ist so stark, dass theoretisch ein Graphenblatt von ca. einem Milligramm eine Katze tragen könnte.

Dieses hypothetische „Katzen-Hängematte“ wäre nur ein Atom dick und für das menschliche Auge vollständig unsichtbar. Kohlenstoffnanoröhren bestehen aus einer oder mehreren Lagen Graphen, zu einem Rohr geformt und ebenfalls extrem stark.

Laut Nobelpreis-Dokument könnte ein ein Quadratmeter großes Graphen-Hängematte zwischen zwei Bäumen ca. 4 kg tragen, bevor es reißt. So ließe sich ein fast unsichtbares Hängematte aus Graphen herstellen, das eine Katze halten könnte, ohne zu brechen.

Derzeit werden Kohlenstoffnanoröhren hauptsächlich eingesetzt, um die Eigenschaften von Polymerverbundwerkstoffen zu verbessern. Sie bieten eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften:

• Sehr hohe Festigkeit
• Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
• Hohe elektrische Leitfähigkeit
• Hohe thermische Leitfähigkeit

Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren

Verglichen mit anderen Verstärkungsmaterialien sind Kohlenstoffnanoröhren erheblich stärker als andere Fasern, die in faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen verwendet werden. Jüngste Forschung konzentrierte sich auch auf die Entwicklung funktional graduierter Polymere, bei denen Kohlenstoffnanoröhren strategisch innerhalb einer Polymerstruktur verteilt werden, um maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften zu verleihen.

Material	Festigkeit (Datenquellen in Links)
Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren	11 – 63 GPa
Kohlenstofffaser	3,5 – 5,5 GPa
Glasfaser	3,5 – 4,6 GPa
Kevlar	3,0 GPa
Stahl	0,23 – 0,73 GPa

Kohlenstoffnanoröhren bieten auch gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, was sie nützlich macht in Elektronikverpackungen oder als Additive zu Polymeren und Klebstoffen, um diese leitfähig zu machen. Traditionell waren Metalle die primären Materialien für elektrische und thermische Leiter in der Elektronik, da Polymere und Keramik im Vergleich schlechte Leitfähigkeit aufwiesen.

Durch Zugabe von Kohlenstoffnanoröhren können jedoch mehrere Polymere leitfähig gemacht werden, was neue Möglichkeiten für schnellere, kostengünstigere Elektronikfertigung eröffnet.

Material	Elektrische Leitfähigkeit (Datenquellen in Links)	Thermische Leitfähigkeit (Datenquellen in Links)
Eindwandige Kohlenstoffnanoröhren	10² – 10⁶ S/cm	6000 W/mK
Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren	10³ – 10⁵ S/cm	2000 W/mK
Diamant	10⁻² – 10⁻¹⁵ S/cm	900 – 2320 W/mK
Graphit	3,3 – 4000 S/cm	2,2 – 298 W/mK
Kupfer	4,3·10⁹ – 5,9·10⁹ S/cm	305 – 385 W/mK

Kohlenstoffnanoröhren-verstärkte Verbundwerkstoffe

Wenn Graphen und Kohlenstoffnanoröhren so unglaublich stark sind, warum nutzen wir sie nicht in allem? Ein Bauteil mit Festigkeit vergleichbar mit Graphen oder Nanoröhren wäre praktisch unzerstörbar im Vergleich zu anderen Materialien.

Um die Herausforderung zu verstehen, die unglaubliche Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen zu nutzen, können wir betrachten, warum Graphit weich ist. Einzelschichten von Graphen sind extrem stark, aber Graphit ist weich, weil die Bindungen zwischen den Graphenschichten schwach sind.

Einzelne Kohlenstoffnanoröhren sind eines der stärksten je entdeckten Materialien, aber sie müssen miteinander verbunden werden, damit ihre Festigkeit nutzbar wird.

Kohlenstoffnanoröhren entstehen, wenn man ein Graphenblatt zu einem Rohr aufrollt.

Deshalb werden Kohlenstoffnanoröhren oft als Additiv in anderen Materialien, meist Polymeren, verwendet, um deren Eigenschaften zu verbessern. Die Nanoröhren bringen Festigkeit ein, und das „Matrix“-Material, in dem sie dispersiert sind, hält alles zusammen. Doch die Frage bleibt: Warum sind diese winzigen Nanoröhren so viel stärker als Volumenmaterialien? Sie sind stark, weil sie klein sind.

Ultra-starke Nanomaterialien

Der Schlüssel zur Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren liegt darin, dass sie aufgrund ihrer geringen Größe nahe an die theoretische Festigkeit von Kohlenstoff herankommen. Die theoretische Festigkeit eines Materials ist die Spannung, die nötig wäre, um einen perfekten, fehlerfreien Kristall zu brechen.

Beispielsweise beträgt die theoretische Festigkeit von reinem Eisen 31,8 GPa, während Volumenstähle Festigkeiten von 270–740 MPa aufweisen – weniger als 2,5 % der theoretischen Festigkeit. Das liegt an winzigen Defekten, sogenannten Versetzungen, die Volumenstähle anfällig für plastische Verformung und Versagen bei niedrigeren Spannungen als ein hypothetischer fehlerfreier Kristall machen.

REM-Aufnahme ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhren. © Fraunhofer IKTS

Volumenmaterialien erreichen nie ihre theoretischen Festigkeiten, weil selbst bei extrem sorgfältiger Verarbeitung größere Materialien unweigerlich mikrostrukturelle Defekte enthalten, die ihre Festigkeit verringern. Das ist auch der Grund, warum Menschen wahrscheinlich nie ein großes, perfektes Graphenblatt wie das einatomdünne Katzen-Hängematte aus der Nobelpreiszeremonie 2010 herstellen können.

Ein so großes Blatt würde mit Sicherheit Defekte enthalten, die seine Festigkeit mindern, und die Katze würde durch das Hängematte reißen. Daher konzentriert sich die Verarbeitung der meisten Volumenmaterialien darauf, die Auswirkungen ihrer mikrostrukturellen Defekte zu begrenzen, anstatt Defekte vollständig zu eliminieren. Die Herstellung großer Mengen völlig fehlerfreien Materials ist mit aktueller Technologie praktisch unmöglich.

Elektronenmikroskop-Aufnahme elektrochemisch gewachsener TiO2-Nanoröhren. 10.000-mal dünner als ein menschliches Haar, sind die Röhren mit organischem Polymer gefüllt – eine neue Technik zum „Wachsen“ von Solarzellen mit Potenzial für geringere Kosten.

Die Synthese eines fehlerfreien Materials ist viel machbarer, wenn das Materialvolumen sehr, sehr klein ist. Einfach gesagt: Eine sehr kleine Materialmenge ist statistisch weniger wahrscheinlich, einen Defekt zu enthalten, als eine große, und kleine Volumen lassen sich leichter durch chemische Wachstumsprozesse mit wenigen Defekten erzeugen.

Daher ist es möglich, große Mengen fehlerfreier Nanoröhren herzustellen, aber nicht möglich, ein großes monolithisches Stück fehlerfreien Materials zu schaffen. Kohlenstoffnanoröhren sind ultra-stark, weil sie ultra-klein sind, was es ihnen ermöglicht, fehlerfrei zu sein.

Kohlenstoffnanoröhren werden zu Garn versponnen.

Man sollte auch bedenken, dass die Festigkeit von Materialien gemessen wird, indem die zum Brechen eines Probenkörpers erforderliche Kraft durch dessen Querschnittsfläche geteilt wird, was Einheiten wie Megapascal (MPa) ergibt, äquivalent zu einem Newton pro Quadratmillimeter (N/mm²). Daher kompensieren Festigkeitsmessungen automatisch die Materialmenge im Probenkörper, sodass wir die Festigkeit eines 1 cm dicken Stahlstabs mit der eines 1 µm dicken Kohlenstoffnanoröhrchens vergleichen können.

Das winzige Nanoröhrchen ist viel wahrscheinlicher vollständig fehlerfrei und daher extrem stark. Um aber genug Nanoröhren zu einem Bauteil von gleicher Größe wie den Stahlstab zu bündeln, müssten wir einen faserverstärkten Verbundwerkstoff herstellen.

Ihre geringe Größe und der daraus resultierende Mangel an Defekten machen Kohlenstoffnanoröhren zu einem ultra-starken Nanomaterial, mit gemeldeten Festigkeiten von 11–63 GPa für einzelne mehrwandige Nanoröhren, was nahe an die theoretische Festigkeit von Kohlenstoff von 156,0 GPa heranreicht. Andere Materialien können ebenfalls in ultra-kleine, fehlerfreie „Whisker“ umgewandelt werden, einschließlich Eisen, das in Nano-Whisker-Form eine Festigkeit von 13 GPa aufweist – ein viel näherer Wert an Eisens theoretischer Festigkeit als Volumenstähle.

Viele andere Materialien wurden unter Laborbedingungen in Nanoröhren-, Nanodraht- oder Whiskerform synthetisiert, aber Kohlenstoffnanoröhren sind eines der wenigen ultra-starken Nanomaterialien, die in kommerziellen Mengen von Lieferanten wie Goodfellow erhältlich sind.

Fazit

Kohlenstoffnanoröhren gehören zu den stärksten je entdeckten Materialien, weil ihre extrem kleine Größe es ihnen ermöglicht, fehlerfrei zu sein und sich der theoretischen Festigkeit von Kohlenstoff anzunähern. Deshalb werden Kohlenstoffnanoröhren am häufigsten verwendet, um die Eigenschaften anderer Materialien zu verbessern, z. B. wenn sie Polymer-Matrizen zugesetzt werden, um Festigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit zu steigern.

Die Festigkeit von Kohlenstoffnanoröhren ist um Größenordnungen höher als die anderer Fasern in faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Die gute elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren ermöglicht auch die Herstellung leitfähiger Polymere für elektronische Anwendungen, in denen traditionell Metalle verwendet werden.