Herstellung von defektarmen einwandigen Kohlenstoffnanoröhren in großen Mengen am Fraunhofer IWS

Dank öffentlicher Förderung durch das BMBF im Rahmen der „Innovationsallianz Carbon Nanotubes – CNT“ konnte das Fraunhofer IWS Dresden ein speziell für die Massenproduktion von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren geeignetes Verfahren entwickeln. Die einwandigen Kohlenstoffnanoröhren werden dabei während einer gepulsten Lichtbogenverdampfung von Kohlenstoff in einem Reaktor erzeugt.

Die Durchmesser der gewonnenen Kohlenstoffnanoröhren liegen zwischen 1,0 bis 1,6 nm. Dies entspricht etwa 1 / 10 000 des Durchmessers des menschlichen Haares. Die Röhrenlänge liegt nach der Herstellung im Bereich mehrerer Mikrometer. Kohlenstoffnanoröhren besitzen nach ihrer Herstellung, in Abhängigkeit ihres Durchmessers, halbleitende oder metallische Leitfähigkeit. Das Verhältnis von halbleitenden zu metallisch leitenden Kohlenstoffnanoröhren liegt im Allgemeinen bei zwei Dritteln zu einem Drittel. Dieses Verhältnis kann jedoch mit dem am Fraunhofer IWS entwickelten Verfahren gezielt variiert werden und stellt eine weitere Besonderheit des Verfahrens dar. Zudem haben die Kohlenstoffnanoröhren eine sehr niedrige Defektdichte. Sie weisen also kaum Störungen in der hexagonalen Atomanordnung auf.

Das Fraunhofer IWS ist derzeit eines der wenigen Institute weltweit, das einwandige Kohlenstoffnanoröhren im kg-Maßstab herstellen kann. Für die industrielle Massenproduktion erscheint das Verfahren sehr aussichtsreich. Das erlaubt die Entwicklung attraktiver Anwendungen auf Basis der herausragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der einwandigen Kohlenstoffröhren.
Bei metallischen einwandigen Kohlenstoffnanoröhren liegt die zulässige Stromdichte, das heißt die Ladungsträgeranzahl, die pro Zeiteinheit durch einen definierten Leiter fließen darf, um ein 1000-faches über der des Kupfers. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa das 15-fache von Kupfer. Der E-Modul einer einzelnen Kohlenstoffnanoröhre kann bis zu 5-mal höher als der einer Karbonfaser sein und ihre Zugfestigkeit kann bis zum 10-fachen einer Karbonfaser betragen. Einwandige Kohlenstoffnanoröhren stellen somit einen Hochtechnologiewerkstoff dar, der es Dresdner Forschern möglich macht, innovative und einzigartige Produktentwicklungen voran zu treiben.

Der Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IWS liegt bei elektronischen Anwendungen der einwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Die besonders gute elektrische Leitfähigkeit der einwandigen Kohlenstoffnanoröhren sagt ihnen zum Beispiel ein großes Anwendungspotenzial in der Photovoltaik als transparente leitfähige Schichten voraus. Des Weiteren wird an der Herstellung elektrisch leitender Tinten auf der Basis der Kohlenstoffnanoröhren gearbeitet, die zum direkten Drucken von Leiterbahnen mit handelsüblichen Tintenstrahldruckern geeignet sind.
Marktprognosen gehen von einem starken Wachstum der Produktion von Kohlenstoffnanoröhren aus. Da seit Jahren auf diesem Gebiet geforscht wird, sind bereits erste Produkte – insbesondere im Bereich von Polymerkompositen für Sportgeräte – auf dem Markt. Weitere Produktverbesserungen beim Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren als Verbundwerkstoff in Polymerwerkstoffen stehen kurz vor ihrer Markteinführung. In Verbindung mit der kostengünstigen Massenfertigung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren sind eine Vielzahl neuer Applikationen im Bereich Aktorik und Sensorik denkbar.

Die Herstellung, Funktionalisierung und Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren ist ein Schwerpunkt der diesjährigen Nanofair, die vom 12. bis 13. Juni im Internationalen Kongresszentrum Dresden stattfindet. Experten aus 23 Ländern werden internationales Nanotechnologie-Know-how vorstellen. Das vollständige Programm ist auf der Website www.nanofair.com verfügbar.

Die hier vorgestellten Ergebnisse basieren auf Forschungs- und Entwicklungsprojekten, die mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Innovationsallianz Carbon Nanotubes – CNT“ gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut wurden. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

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