Superstarke Carbon-Nanotube-Fasern

Kohlenstoffnanoröhren, die zu langen, garnartigen Fasern gesponnen werden, könnten sogar die stärksten kugelsicheren Materialien auf dem Markt übertreffen, aber die Umwandlung von Nanoröhren in solche Materialien hat sich als Herausforderung erwiesen. Jetzt sagen Forscher, dass sie die Methode zur Herstellung der Fasern verbessert haben: Sie können sie schneller aus einem heißen Ofen ziehen, die Nanoröhrchen besser aneinanderreihen und ihre Festigkeit erheblich verbessern. Während die Carbon-Nanotube-Fasern immer noch nur in kleinen Chargen hergestellt werden können – und nur in kurzen Längen, sagen Experten – sind die Fasern vielversprechend für ultrafeste, belastbare Materialien mit möglichen Anwendungen von Körperpanzern bis hin zu Ölbohrungen.



Nano-Bestellung: Forscher haben die Techniken zum Spinnen von Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbessert: Sie richten die Nanoröhrchen in der Faser aus und erzeugen so Fasern, die so stark oder stärker sind als Materialien wie Kevlar, die in kugelsicheren Westen verwendet werden. Außerdem können die Nanotube-Fasern im Gegensatz zu normalen Seilen verknotet werden, ohne ihre Festigkeit stark zu beeinträchtigen.

Kohlenstoffnanoröhrchen sind röhrenförmige Kohlenstoffmoleküle mit einer Wandstärke von nur einem Atom. Sie sind extrem stark, elektrisch leitfähig – und schwer zuverlässig herzustellen. Viele Forschungsgruppen haben sich bemüht, längere Kohlenstoff-Nanoröhrchen herzustellen und sie zu längeren Strängen zu bauen, die für robuste Stoffe und sogar effiziente Stromleitungen verwendet werden könnten. (Siehe 10 neue Technologien.)





Alan Windle, Professor für Materialwissenschaften an der University of Cambridge in England, hat die neuen Nanoröhrenfasern zusammen mit Forschern des Natick Soldier Research Development Center in Massachusetts hergestellt und getestet. Windle und seine Kollegen zerrten an den Nanoröhrenfasern und stellten fest, dass die schwächeren bei Belastungen von etwa einem Gigapascal brachen, was sie Gramm für Gramm mit Stahl vergleichbar machte.

Die leistungsstärkeren Carbon-Nanotube-Fasern brachen bei etwa sechs Gigapascal und übertrafen damit die Stärken, die Hersteller für Materialien für kugelsichere Westen wie Kevlar angeben. Diese Nanoröhren-Fasern entsprachen den höchsten berichteten Festigkeiten für einige der stärksten kommerziell erhältlichen Fasern, Zylon und Dyneema, die auch in kugelsicheren Westen verwendet werden. Eine einzelne, extrem starke Nanoröhrenfaser war nicht in den Charts und erreichte eine Belastung von neun Gigapascal – weit über jedem anderen berichteten Material – bevor sie brach. Frühere Arbeiten mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben Fasern hervorgebracht, die höchstens drei Gigapascal standhalten.

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  • Sehen Sie, wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu ultrastarken Fasern gesponnen werden.

Wir sind mit den Ergebnissen zufrieden, aber ich würde nicht sagen, dass wir überrascht sind, sagt Windle. Es ist bekannt, dass die Eigenschaften einzelner Nanoröhren immer noch fünfmal besser sind. Er fügt hinzu: Das stimmt mich optimistisch. Es gibt noch viel Raum für Verbesserungen.



Um die Fasern herzustellen, verwendeten die Forscher eine von Windles Gruppe im Jahr 2004 bahnbrechende Methode, bei der ein Ofen Kohlenstoff verdampft und einen Strom von Nanoröhren ausbläst. Wenn diese Kohlenstoffnanoröhren in der Luft eingefangen und um eine Spule gesponnen werden, bilden sie eine Faser, die aus Milliarden der Moleküle besteht, die entlang der Länge der Nanoröhre ausgerichtet sind.

Durch die Anpassung der Temperatur des Ofens und die Einstellung, wie schnell die Fasern aufgewickelt werden, optimierten die Forscher den Prozess und machten die Fasern 0,3-mal stärker als die, die andere Gruppen hergestellt haben. Die Forscher berichten, dass die Verbesserung hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass sich die Nanoröhren beim schnelleren Wickeln besser ausrichten und enger zusammenpacken. Sie fügten auch einen Schritt hinzu, um die Fasern dichter zu machen. Das Team ließ die Fasern durch Acetongas laufen, das an den Fasern kondensierte und eine Flüssigkeit bildete. Es gibt einen Oberflächenspannungseffekt, der die Nanoröhren zusammenzieht, was ihre Festigkeit erhöht, sagt Windle.

Die am weitesten verbreitete Anwendung ist für Körperschutz, sagt er. Im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Fasern sieht es vielversprechend aus. Aber ob es für Körperpanzer funktioniert oder nicht, wird niemand wirklich wissen, bis wir genug Fasern herstellen, um einen Stoff herzustellen und eine Kugel darauf zu schießen, sagt Windle. Eine kürzlich durchgeführte Computermodellierungsstudie legt nahe, dass Kugeln von einem nur sechs Schichten dicken Kohlenstoff-Nanoröhren-Gewebe abprallen würden.

Edwin Thomas, Professor für Materialwissenschaften und -technik am MIT, sagt, dass, wenn Tests zeigten, dass ein solches Gewebe wirklich Kugeln abwehrt, Sie einen Showstopper haben, und es wird bald in einer Körperpanzerung sein. Aber Materialien vertragen sich oft nicht gut, wenn sie mit plötzlichen Kräften getroffen werden, im Gegensatz zu langsamerem Ziehen, fügt er hinzu. Niemand kennt Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei hohen Belastungen, weil niemand überprüft hat.



Eine andere Anwendung könnte die Ölbohrung sein. Da Carbon-Nanotube-Fasern nicht nur stark, sondern auch hitze- und korrosionsbeständig sind, könnten sie in Bohrkronen oder Rohren verwendet werden, um diese extremen Umgebungsbedingungen zu bewältigen, sagt Thomas.

Thomas weist jedoch darauf hin, dass Windle und seine Kollegen ihre besten Ergebnisse für Fasern mit einer Länge von etwa einem Millimeter erzielten, offenbar weil je länger der Strang, desto wahrscheinlicher ist es, dass er kleine Kohlenstoffbrocken und andere Defekte enthält, die ihn schwächen. Eine Optimierung der Verarbeitung – der Aufwickelgeschwindigkeit und der Acetonbehandlung – wird die kohlenstoffhaltigen Partikel nicht ändern, sagt Thomas. Sie müssen in die chemische Synthese zurückkehren, um das anzugehen.

Damit sich die Armee dafür interessiert, müssten sie Kilometer davon haben, sagt er. Dennoch geben ihm die neuen Ergebnisse viel Hoffnung.

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