CAU-Forschungsteam entwickelt neues Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren

Extrem leicht, elektrisch besonders leitfähig und stabiler als Stahl: Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften wären Nanoröhren aus Kohlenstoff ideal für zahlreiche Anwendungen, von ultraleichten Batterien über Hochleistungskunststoffe bis zu medizinischen Implantaten.

Bisher ist es für Wissenschaft und Industrie jedoch schwierig, die außerordentlichen Merkmale von der Nanoskala auf eine funktionsfähige industrielle Anwendung zu übertragen. Zu schlecht lassen sich die Kohlenstoffnanoröhren mit anderen Materialien verbinden oder sie verlieren dabei ihre vorteilhaften Eigenschaften.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Universität Trento haben jetzt eine alternative Methode entwickelt, mit der sich die winzigen Röhren so mit anderen Materialien verbinden lassen, dass sie ihre charakteristischen Eigenschaften behalten. Dabei „verfilzen“ sie die fadenartigen Röhren zu einem stabilen 3D-Netzwerk, das extremen Kräften Stand hält. Die Forschungsergebnisse erschienen jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications.

Ein schwieriger Kandidat

Industrie und Wissenschaft erforschen die deutlich unter hundert Nanometer breiten Kohlenstoffröhren (Englisch „Carbon Nano Tubes“, CNT) intensiv, um die außergewöhnlichen Eigenschaften des gerollten Graphen nutzbar zu machen. Doch vieles ist bisher noch Theorie. „Kohlenstoffnanoröhren sind zwar flexibel wie Fäden, aber gleichzeitig sehr empfindlich gegenüber Veränderungen“, erklärt Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU.

„Bei den bisherigen Versuchen, sie auf chemische Weise mit anderen Materialien zu verbinden, änderte sich auch ihr molekularer Aufbau. Dadurch verschlechtern sich aber ihre Eigenschaften meistens drastisch.“

Der Verbindungsansatz des Forschungsteams aus Kiel und Trento basiert stattdessen auf einem einfachen nasschemischen Infiltrationsverfahren. Dabei werden die CNTs mit Wasser vermischt und in ein extrem poröses keramisches Material aus Zinkoxid getropft, das die Flüssigkeit aufsaugt wie ein Schwamm. Die eingetropften fadenähnlichen CNTs setzen sich auf dem keramischen Gerüst ab und fügen sich selbstständig zu einer stabilen Schicht zusammen, ähnlich eines Filzes. Das keramische Gerüst wird gewissermaßen mit Nanoröhren ummantelt. Das hat faszinierende Auswirkungen, sowohl für das Gerüst, als auch den Mantel aus Nanoröhren.

Nach dem Prinzip der Bambusbauten

Zum einen erhöht sich die Stabilität des keramischen Gerüsts so massiv, dass es das 100.000-fache seines eigenen Gewichts tragen kann. „Mit der CNT-Ummantelung hält das keramische Material um die 7,5kg aus, ohne sind es gerade einmal 50g – als hätten wir ihm einen enganliegenden Pullover aus Kohlenstoffnanoröhren angezogen, der es mechanisch stützt“, fasst Erstautor Fabian Schütt zusammen. „Der Druck, der auf das Material wirkt, wird von der Reißfestigkeit des CNT-Filzes aufgefangen. Druckkräfte wandeln sich in Zugkräfte um.“

Das Prinzip dahinter ist vergleichbar mit Bambusbauten, wie sie beispielsweise in Asien weit verbreitet sind. Dabei werden Bambusstämme so fest mit einem einfachen Seil umwickelt, dass aus dem leichten Material ein extrem stabiles Gerüst und sogar ganze Gebäude entstehen. „Das Gleiche machen wir auf der Nanoskala mit den CNT-Fäden, die sich um das keramische Material wickeln, nur viel, viel kleiner“, sagt Helge Krüger, Co-Autor der Veröffentlichung.

Mit winzigen Kohlenstoffröhren zu Hochleistungskunststoffen

Die Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftler konnten noch einen weiteren großen Vorteil ihres Verfahrens aufzeigen. Dazu lösten sie in einem zweiten Schritt das keramische Gerüst mit einem chemischen Ätzverfahren auf. Zurück bleibt nur ein feingliederiges 3D-Netzwerk aus Röhren, von denen jede wiederum aus einer Schicht winziger CNT-Röhren besteht. Auf diese Weise konnten die Forschenden die Filzoberfläche enorm vergrößern und so mehr Möglichkeiten für Reaktionen schaffen. „Wir packen quasi die Fläche eines ganzen Beachvolleyballfeldes in einen zentimetergroßen Würfel“, erklärt Schütt. Die riesigen Zwischenräume der dreidimensionalen Struktur lassen sich nun mit einem Polymer auffüllen. So können CNTs mechanisch mit Kunststoffen verbunden werden, ohne dass sich ihre molekulare Struktur und damit ihre Eigenschaften ändern. „Wir können CNTs so gezielt anordnen und ein elektrisch leitendendes Verbundmaterial herstellen. Dafür reicht ein Bruchteil der herkömmlichen CNT-Menge, um die gleiche Leitfähigkeit zu realisieren“, so Schütt.

Einfaches Verfahren für zahlreiche Anwendungen

Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Batterie- und Filtertechnik als Füllmaterial für leitfähige Kunststoffe, Implantaten für die regenerative Medizin bis zu Sensoren und elektronischen Bauteilen auf Nanoebene. Die gute elektrische Leitfähigkeit des reißfesten Materials könnte zukünftig auch interessant sein für flexible Elektronik-Anwendungen, zum Beispiel in Funktionskleidung oder in der Medizintechnik. „Denkbar ist zum Beispiel ein Kunststoff, der Knochen- oder Herzzellen zum Wachsen anregt“, so Adelung. Durch seine Einfachheit könnte sich der Prozess auch auf Netzwerkstrukturen aus anderen Nanomaterialien übertragen, sind sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einig – was die Anwendungsmöglichkeiten noch mehr erweitert.

Die Arbeit wurde unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie von der Europäischen Kommission im Rahmen des Graphene FET Flagship.

Originalpublikation:
Hierarchical self-entangled carbon nanotube tube networks. Fabian Schütt, Stefano Signetti, Helge Krüger, Sarah Röder, Daria Smazna, Sören Kaps, Stanislav N. Gorb, Yogendra Kumar Mishra, Nicola M. Pugno & Rainer Adelung, Nature Communications 8, Article number: 1215 (2017)
doi:10.1038/s41467-017-01324-7 https://www.nature.com/articles/s41467-017-01324-7

Bildmaterial steht zum Download bereit:

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Bildunterschrift: Die winzigen, fadenartigen Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nano Tubes, CNT) ordnen sich in dem neuen Verfahren so an, dass sie sich gewissermaßen miteinander „verfilzen“ und eine stabile, reißfeste Schicht bilden.
Abbildung: Fabian Schütt

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Bildunterschrift: Bei dem einfachen Verfahren wird Wasser mit den CNTs gemischt und in ein keramisches, weißes Material getropft. Wie ein Schwamm saugt es die schwarze Flüssigkeit auf.
Foto: Julia Siekmann, CAU

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Bildunterschrift: Grund hierfür ist die hohe Porösität des keramischen Materials. In der Vergrößerung ist ein feines Netzwerk aus unzähligen vierarmigen Zinkoxid-Partikeln zu sehen. Durch ihre besondere Struktur entstehen große Freiräume, durch die die Flüssigkeit sickert.
Abbildung: Fabian Schütt

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Bildunterschrift: Die Aufnahme aus dem Rasterelektronenmikroskop zeigt, wie die eingetropften CNT-Fäden das keramische Gerüst als dicken Filz ummanteln. Seine Tragkraft wird damit um das 100.000-fache erhöht.
Abbildung: Fabian Schütt

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Bildunterschrift: Wird das keramische Gerüst chemisch herausgeätzt, bleibt nur der feine Filzmantel zurück. Der Filz aus winzigen Röhren hat sich so zu einem Netzwerk größerer Röhren zusammengeschlossen. Die Hohlräume können mit einem Kunststoff zu einem leitfähigen und reißfesten Verbundmaterial aufgefüllt werden.
Abbildung: Fabian Schütt

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Bildunterschrift: Für ihr neues Verfahren nutzten die Kieler Wissenschaftler Yogendra Mishra, Fabian Schütt und Helge Krüger (von links) das Prinzip klassischer Bambusbauten, um die Stabilität von Kohlestoffnanoröhren zu erhöhen und sie mit anderen Materialien zu verbinden.
Foto: Julia Siekmann, CAU

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Bildunterschrift: Dabei werden Bambusstämme fest mit einem dünnen Seil umwickelt, so dass aus dem leichten Material ein extrem stabiles Gerüst und sogar ganze Gebäude entstehen.
Foto: Julia Siekmann, CAU

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Bildunterschrift: Das verbundene Bambusgerüst hält großem Druck stand – ähnlich funktioniert es beim keramischen Material, das durch die verfilzten CNTs seine Stabilität erhöht.
Foto: Julia Siekmann, CAU

Kontakt:
Prof. Dr. Rainer Adelung
Funktionale Nanomaterialien
Technische Fakultät
Telefon: +49 431 880-6116
E-Mail: ra@tf.uni-kiel.de

Fabian Schütt
Funktionale Nanomaterialien
Technische Fakultät
Telefon: +49 431 880-6024
E-Mail: fas@tf.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text/Redaktion: Julia Siekmann
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Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt „Nanowissenschaften und Oberflächenforschung“ (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Chemie, Physik, Life Sciences und Ingenieurswissenschaften zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr unter: http://www.kinsis.uni-kiel.de

Kiel Science Outreach Campus
http://www.kisoc.de/de

Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien:
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/fnano/de

Entstehung eines 3D-Netzwerks aus Kohlenstoffnanoröhren

https://www.youtube.com/watch?v=Ee6uof5AQpM

.be Das 360°Video illustriert, wie CNT-Netzwerke entstehen. Die Multimediasimulation zu der Forschungsarbeit aus der Arbeitsgruppe „Funktionale Nanomaterialien“ von Professor Rainer Adelung an der CAU ist im Rahmen eines Kooperationsprojektes des Kiel Science Outreach Campus mit dem Mediendom des Zentrums für Kultur- und Wissenschaftskommunikation (ZKW) der Fachhochschule Kiel entstanden. Copyright: Eduard Thomas, FH Kiel.