05. Juli 2006 Seit ihrer Entdeckung vor mittlerweile fünfzehn Jahren ist das Interesse an Nanoröhrchen aus Kohlenstoff nahezu ungebrochen. Denn die winzigen zylindrischen Gebilde, die aus einer oder mehreren aufgerollten Graphitschichten bestehen, haben physikalische Eigenschaften, bei denen so mancher Materialwissenschaftler ins Schwärmen kommt. Sie sind zwanzigmal so zugfest wie Stahl, andererseits enorm elastisch und flexibel.
Wärme leiten sie doppelt so gut wie Diamant, und dem Strom setzen sie nur einen Bruchteil des Widerstands von Kupfer entgegen. Doch der Sprung in die breite Anwendung ist den winzigen Alleskönner mit Durchmessern von wenigen Nanometern und mit Längen von einigen Mikrometer bislang verwehrt geblieben. Vor allem die gezielte Herstellung von Nanoröhrchen einer Größe bereitet den Forschern nach wie vor immense Schwierigkeiten. Wissenschaftler von der Rice University in Houston haben nun einen Weg gefunden, wie sich einheitliche Nanoröhrchen effizient gewinnen lassen.
Ein Fünftel des Durchmessers eines Haares
Besonders in der in der molekularen Elektronik setzt man große Hoffnung auf die einwandigen Kohlenstoffzylinder, die je nach molekularer Struktur metallisches oder halbleitendes Verhalten zeigen. Mittlerweile sind Dioden, Feldeffekt-Transistoren, einfache logische Schaltungen und erste Speicherbausteine gefertigt worden. Letztere benötigen jedoch meist vergleichsweise große Goldelektroden als elektrische Kontakte, so daß die Bauteile im Vergleich zu den Nanoröhrchen recht klobig wirken, auch wenn die Anordnung nur unter dem Rasterelektronenmikroskop zu erkennen ist.
Jüngste Errungenschaft der „Nanoelektronik“ ist ein kompletter elektronischer Schaltkreis, der nur ein Fünftel des Durchmessers eines menschlichen Haares mißt. Herzstück des von Forscher des IBM-Forschungszentrums in Yorktown Heights (New York) hergestellten Chips sind Nanoröhrchen, an die jeweils winzige Drähte angebracht sind (“Science“, Bd.311, S.1735).
Kombination von Ultraschall und Säurebad
Von einer auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierten Computerarchitektur ist man allerdings noch weit entfernt, auch wenn es mittlerweile kaum noch Schwierigkeiten bereitet, die Kohlenstoffmoleküle gezielt auf einen Siliziumwafer aufzubringen und sie miteinander zu verdrahten. Die größte Hürde ist wohl der Umstand, daß mit den gängigen Verfahren keine einheitlichen Nanoröhrchen erzeugt werden können. Fast immer entsteht ein Gemisch aus halbleitenden und metallischen Röhrchen, die zum einen verschieden lang und obendrein noch unterschiedlich dick sind.
Ein großes Dilemma, zumal, weil die Geometrie der Gebilde letztlich die physikalischen Eigenschaften beeinflußt. Große Fortschritte sind inzwischen erzielt worden, was die Trennung von halbleitenden und metallischen Röhren anbelangt . Die Forscher von der Rice University haben beispielsweise herausgefunden, daß sich sogar eine Spezies in die andere umwandeln läßt, wenn man das Produktgemisch starken Magnetfeldern aussetzt. Auch Röhrchen einheitlicher Länge lassen sich mittlerweile durch die Kombination von Ultraschall und Säurebad präparieren. Nun haben die Forscher um Haiqing Peng auch einen Weg gefunden, Nanoröhrchen ihrer Dicke nach zu trennen.
Automatisieren und optimieren
Die Wissenschafler haben zunächst einwandige Nanoröhrchen erzeugt, indem sie Kohlenstoff in einem Lichtbogen verdampften. Das Produktgemisch wurde anschließend gereinigt und durch eine Kapillare geleitet, auf deren Unterseite sich kleine Elektroden befanden. Zunächst galt es die metallischen Nanoröhrchen von den halbleitenden zu trennen. Dazu legten die Forscher ein elektrisches Wechselfeld an, das die metallischen Moleküle dazu bewog, schnell in Richtung der Elektroden zu wandern, während die halbleitenden Varianten in der Lösung blieben.
Darin schwammen sie allerdings nicht gleichmäßig umher, sondern begannen, in dem engen Röhrchen in eine Richtung zu fließen. Der Clou: Die Fließgeschwindigkeit hing im wesentlichen von der Dicke der Nanoröhrchen ab, wie die Forscher in der jüngsten Ausgabe des „Journal of the American Chemical Society“ berichten. In der Kappilare entstand ein charakteristisches Strömungsprofil, das es den Forschern schließlich ermöglichte, die halbleitenden Nanoröhrchen der Größe nach zu sortieren und zu trennen. Das Ziel der Forscher ist es, ihr Verfahren zu automatisieren und zu optimieren.
Text: F.A.Z., 06.07.2006, Nr. 154 / Seite 42
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