Von Manfred Lindinger
07. Februar 2007 Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, die hier auf einer Quarzscheibe wie winzige Eisblumen erscheinen, sind wegen ihrer herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften die großen Hoffnungsträger für die Materialwissenschaften und die Elektronik. Aber der Sprung in die Anwendung ist den nur wenige Nanometer dicken und einige Mikrometer langen zylinderförmigen Partikeln bislang verwehrt geblieben, gestaltet sich ihre Herstellung doch noch immer recht aufwendig und teuer.
Das könnte sich dank zweier Forscher des Fritz-Haber-Instituts in Berlin bald ändern. Dang Sheng Su und Xiao-Wei Chen haben ein Syntheseverfahren entwickelt, bei dem Vulkangestein aus dem Ätna eine entscheidende Rolle spielt.
Partikeln aus Eisenoxid
Wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (doi: 10.1002/ange.200604207) berichten, sind im Vulkangestein fein verteilte Eisenoxidpartikeln enthalten, die das Material zu einem effektiven Katalysator machen. In einem Pilotexperiment haben Su und Chen das Gestein pulverisiert und auf 700 Grad erhitzt. Das Eisenoxid wurde dabei zu elementarem Eisen reduziert.
Als die Forscher eine Mischung aus den Gasen Wasserstoff und Ethylen über das Pulver leiteten, katalysierten die Eisenpartikeln die Zersetzung von Ethylen zu elementarem Kohlenstoff. Dieser schied sich in Form von winzigen Nanoröhrchen und Fasern an dem Lavagestein ab. Das Verfahren hat viele Vorteile: Der Katalysator ist erschwinglich, denn er kommt in der Natur in großen Mengen vor. Er muss zudem nicht auf einen Träger aufgebracht werden, schließlich ist das Lavagestein Katalysator und Substrat in einem.
Störendes Gemisch
Die Nanoröhrchen liegen allerdings auch hier wie bei allen Syntheseverfahren als Gemisch aus halbleitenden und metallischen Exemplaren vor, die zudem verschieden lang und obendrein noch unterschiedlich dick sind. Ein großes Dilemma, zumal die Geometrie der Gebilde letztlich die physikalischen Eigenschaften beeinflusst. Vor ihrer Weiterverarbeitung müssen die Nanoröhrchen deshalb aufwendig sortiert werden.
Große Fortschritte sind inzwischen erzielt worden, was die Trennung von halbleitenden und metallischen einwandigen Nanoröhrchen anbelangt. Beispielsweise haben Forscher von der Stanford University einen eleganten Weg ersonnen, wie sie die beiden Nanoröhrchentypen voneinander separieren können. Sie verdampfen selektiv die einwandigen metallischen Exemplare, indem sie das Produktgemisch einem 400 Grad heißen Plasma aus Methan aussetzen. Zurück bleiben fast nur intakte halbleitende Nanoröhrchen. Wie Hongjie Dai und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 314, S. 974) berichten, erreichen sie eine Reinheit von fast 100 Prozent.
Zentrifuge zum Trennen
Auf immerhin 97 Prozent bringen es Forscher von der Northwestern University in Evanston (Illinois). Dank ihrem Verfahren lassen sich die Nanoröhrchen obendrein nach ihrer Größe sortieren. Mark Hersam und seine Mitarbeiter fügen ihrem Produktgemisch Wasser und einige Tenside hinzu. Letztere docken spezifisch an die verschiedenen Röhrchentypen an, wodurch diese im Verbund eine unterschiedliche Dichte erhalten. Mit einer Zentrifuge lassen sich die einwandigen Zylinder räumlich trennen und somit nach ihren elektrischen Eigenschaften, ihrer Dicke und Länge sortieren („Nature Nanotechnology“, Bd. 1, S. 60).
Bleibt schließlich noch die Notwendigkeit, die Qualität der Nanoröhrchen zu prüfen. Hier hatten Forscher vom National Institute of Standards and Technology (Nist) die rettende Idee. Sie sprühen die gewonnenen Nanoröhrchen einfach auf eine Quarzplatte, die sie langsam erhitzen und in Schwingung versetzen. Mit steigender Temperatur verdampfen zunächst die Verunreinigungen und dann die Nanoröhrchen, was zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz führt. Das Verfahren ist so empfindlich, dass die Forscher auf die Zusammensetzung der Probe und somit ihre Qualität schließen können. Die mit einem Elektronenmikroskop gewonnene Abbildung entspricht einem Probenausschnitt von sieben mal fünf Mikrometern.
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: Nist
