Hier wird in die Röhre geschaut – genauer: in die Nanoröhre. Die roten Kugeln in dieser Computergrafik stellen Kohlenstoff-Atome dar, verknüpft zu Sechsecken. Kerzengerade Nanoröhren sind elektrisch leitend – mit einem leichten Knick werden sie zu Halbleitern.
Wolkenumhüllte Schönheit: In perfekter Symmetrie schwebt das simulierte Fulleren-Molekül C60 im Datenraum eines Rechners. Seine 60 Kohlenstoff-Atome erscheinen hier als blaue Kugeln. Das wolkige Gespinst aus grünen Linien zeigt die Elektronendichte.
Prof. Robert Schlögl, Direktor am Fritz-Haber-Institut in Berlin, schüttelt den Kopf: “Wird mal ein neues Forschungsgebiet entdeckt, so wie die Fullerene und Nanoröhren, herrscht große Euphorie. Kommen dann nicht sofort Anwendungserfolge, schlägt die Stimmung früh in Enttäuschung um. Forschung braucht aber langen Atem – einen Zeithorizont von 15 oder 20 Jahren!”
An Euphorie hat es tatsächlich nicht gefehlt, als 1985 die Fullerene und 1991 die Nanoröhren entdeckt wurden. Was haben begeisterte Forscher und Medienvertreter ihnen nicht alles an möglichen Einsätzen zugeschrieben: Superschmier-stoffe, Nanoelektronik-Bauelemente, mo-lekulare Drähte, Arzneimittelträger, neue Supraleiter …
Inzwischen ist es in den Massenmedien still geworden um die exotischen Käfig- und Röhrenstrukturen aus Kohlenstoff-Atomen – zu Unrecht.
Zwar ist über einzelne, zuvor hochgejubelte Anwendungsgebiete die Zeit hinweggegangen. So sind etwa die vermuteten Superschmierstoffe aus Fulleren-Molekülen gründlich abgeschmiert: Daraus wurde nichts. Anderes, beispielsweise im Bereich Nanoelektronik, ist noch fern jeglicher Beurteilbarkeit. Indes: Eine ganze Reihe von Entwicklungslinien gibt Grund zu vorsichtigem Optimismus. In fünf bis zehn Jahren könnten hieraus erste alltagstaugliche Produkte entstanden sein.
Rummel um Wasserstoff-Wunderspeicher Die Nachricht schlug Ende 1996 wie eine Bombe ein. Auf einer Tagung in Boston präsentierten die Werkstoff-Forscher Dr. Nelly Rodriguez und Dr. Terry Baker phantastische Zahlen: Bis zu 75 Gewichtsprozent Wasserstoff wollten sie in “Graphit-Nanofasern” gespeichert haben. Einem Wasserstoff-getriebenen Auto könnten sie dank dieses Materials mit einer einzigen Tankfüllung zu 8000 Kilometer Fahrstrecke verhelfen, rechneten sie vor.
Die Kollegen trauten ihren Ohren nicht. Gerade mal drei Gewichtsprozent Wasserstoff kann man ins bislang beste Speichermedium Metallhydrid pferchen. Das heißt: Im beladenen Speicher kommen auf 97 Gramm Metall ganze drei Gramm Wasserstoff.
Und dann solch ein Speicherwunder! In bester Yankee-Tradition wurden Rodriguez und Baker, zuvor an der Northeastern University in Boston tätig, Unternehmer in einer neu gegründeten Firma namens Catalytic Materials in Mansfield, Massachusetts. Und während die Verwirrung um die Experimente des Duos wuchs, stand bereits zahlungskräftige Kundschaft Schlange. So vereinbarte etwa der Daimler-Chrysler-Konzern eine Kooperation mit den fixen US-Forschern.
Die Aufregung hat sich gelegt. Von den überirdischen 75 Gewichtsprozent Wasserstoffspeicherung spricht heute keiner mehr. Daimler-Chrysler beendete im Juli 1998 seine Zusammenarbeit mit Catalytic Materials. Inzwischen hat Dr. Michael Heben vom National Renewable Energy Laboratory in Colorado in reproduzierbaren Versuchsreihen nachgewiesen: Nanoröhren aus Kohlenstoff können tatsächlich fünf bis zehn Gewichtsprozent Wasserstoff aufnehmen. Offenbar werden die Wasserstoff-Moleküle im Inneren der Nanoröhren dicht gepackt eingelagert.
Fünf bis zehn Gewichtsprozent – das ist attraktiv genug. Das VDI-Technologiezentrum Physikalische Technologien in Düsseldorf nennt in einer Publikation 6,5 Gewichtsprozent als erforderliche Wasserstoff-Speicherdichte, um ein Brennstoffzellen-Auto mit reinem Wasserstoff zu betreiben: Gewicht und Volumen eines durchschnittlichen Benzintanks vorausgesetzt, könnte das Fahrzeug dann 3,1 Kilogramm Wasserstoff mitführen, was ihm marktgängige 500 Kilometer Reichweite verleihen würde.
Viele mühen sich derzeit, die Wasserstoff-Spei-cherung in Kohlenstoff lukrativ zu machen – beispielsweise das Unternehmen Royal Dutch/Shell, das neuerdings mit Macht ins Wasserstoff-Geschäft strebt. Probleme bereitet indes vor allem die Reproduzierbarkeit der Speichereigenschaften – und, bei zwei- bis dreistelligen Dollarbeträgen pro Gramm Nanoröhren, die Kosten.
Flachbildschirm aus Nanoröhren “Nanoröhren sind meiner Ansicht nach die besten Elektronen-Emitter der Welt”, urteilt Prof. André Ch,telain, “mindestens zehnmal besser als die bisher verfügbaren Elektronenquellen.” Und der Forscher an der Ecole Polytechnique in Lausanne ist überzeugt: “Die Nanoröhren haben eine fabelhafte Zukunft vor sich.”
Doch im gleichen Atemzug wiegelt der Physiker ab: “Wir müssen beide Beine auf dem Boden behalten.” Überhitzte Erwartungen haben Ch,telain zum gebrannten Kind werden lassen. Als er 1995 zusammen mit seinen Kollegen Walt de Heer und Daniel Ugarte im Fachblatt Science die Lausanner Elektronenquelle vorstellte, jubelten die Medien reichlich verfrüht, die Tür zu neuen Flachbildschirmen stehe nun offen. Seitdem ist er äußerst vorsichtig. Doch das Entwicklungsziel Flachbildschirm besteht nach wie vor. Auf elektrisch leitenden Trägerfolien lassen die Physiker einen Wald aus Zehntausenden von senkrecht angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren wachsen, jede nur etwa zehn Nanometer (= milliardstel Meter) dick und rund 1000 Nanometer lang. Legt man eine Spannung zwischen der Trägerfolie und einer gegenüberliegenden Metallelektrode an, sprühen Elektronen aus den Spitzen der Nanoröhren.
Physiker sprechen von einer “kalten Spitzenentladung” – im Gegensatz zur Kathodenstrahlröhre in Fernsehgerät und Computermonitor, wo die Kathode aufgeheizt wird, um Elektronen auszusenden. Beim Auftreffen auf einen mit Leuchtstoffen beschichteten Schirm erzeugen die Elektronen ein Bild. Ein Flachbildschirm nach diesem Prinzip wäre voraussichtlich weniger als zwei Zentimeter stark.
Dazu freilich müßten sich einzelne “Baumgruppen” im Nanoröhrenwald separat mit Bildsignalen ansteuern lassen – daran hapert es noch, ebenso an der Lebensdauer. Eine einzelne Nanoröhre hält etwa 100 Stunden Dauerbetrieb durch, doch der “Wald” nutzt sich deutlich rascher ab.
Von mindestens 10000 Betriebsstunden, die interessierte Industriepartner – wie der japanische Elektronikkonzern NEC – sich für eine neue Generation von Nanoröhren-Flachbildschirmen wünschen, kann erst recht keine Rede sein. “Das dauert noch Jahre”, warnt André Ch,telain und setzt lieber auf Zweck-pessimismus. Doch er kann nicht verhindern, daß die Nanoröhren-Elektronenquelle zu den heißesten Tips zählt.
Zehnmal zugfester als Stahl Prof. H. Daniel Wagner kommt angesichts der mechanischen Eigenschaften der Nanoröhren ins Schwärmen: “Die Druckfestigkeit ist absolut gigantisch, zwei Größenordnungen mehr als die bisher stärksten Fasern aus Kevlar. Und die Steifigkeit der Nanoröhren liegt durchschnittlich bei rund 2000 Gigapascal – das ist fast doppelt so groß wie die von Diamant, dem bislang steifsten Material der Welt.”
Auch die Zugfestigkeit der Mini-Röhrchen ist rekordverdächtig: mindestens zehnmal größer als von Stahl, bei nur einem Sechstel von dessen Gewicht. “Diese außergewöhnlichen Eigenschaften gehen wohl auf den fast defektfreien Molekülbau zurück – ein nahezu perfekt gebauter Stoff”, vermutet Wagner. Er ist Werkstofforscher am Weizmann-Institut in Rehovot, nahe Tel Aviv. 1996 gelang ihm das Kunststück, die Leitfähigkeit und Steifigkeit einer einzelnen Nanoröhre zu messen.
Zusammen mit seinem Institutskollegen Reshef Tenne grübelt er neuerdings über die vermuteten Eigenschaften eines futuristischen Verbundmaterials nach: Kohlenstoff-Nanoröhren als Faserkomponente – eingebettet in eine Matrix aus Kunststoff.
Faserverstärkte “Komposite” haben schon in den siebziger Jahren in die Luft- und Raumfahrt Einzug gehalten – üblicherweise dienten hier Glasfasern oder Kohlefasern als versteifende Komponenten für federleichte, aber äußerst formfeste Materialien. Die bislang verwendeten Kohlefasern (“Carbonfasern”) sind allerdings einige Millimeter lang und mindestens zehn Mikrometer stark – ein Größenunterschied zu den Nanoröhren wie etwa zwischen Mammutbaum und Strohhalm.
Der Vergleich hinkt allerdings insofern, als die “Strohhalme” offenbar zu den steifsten Materialien im Universum gehören. So liegt der Gedanke nahe, Kohlenstoff-Nanoröhren als Faserkomponente neuartiger Verbundwerkstoffe einzusetzen – weit gewichtsparender und stabiler als alles, was es bislang gegeben hat.
Zuvor müssen die Forscher allerdings dreierlei fertigbringen: ein kompatibles Matrixmaterial finden, mit dem Nanoröhren sich fest verbinden, Nanoröhren von Zentimeter- oder gar Meterlänge herstellen lernen, die Herstellungskosten für Nanoröhren um mindestens den Faktor 10000 senken. Denn erst bei Preisen von wenigen Mark pro Kilogramm ist ein großtechnischer Einsatz in Verbundwerkstoffen vorstellbar.
Super-Vitamin mit Elektronenhunger “Fullerene scheinen nicht toxisch zu sein”, sagt Andreas Hirsch. Das freut den Professor für Organische Chemie an der Universität Erlangen. Denn sein Team knackte 1994 eine harte Nuß: vollkommen wasserlösliche Fulleren-Abkömmlinge herzustellen. Da bietet es sich an, über medizinische Anwendungen nachzudenken.
Reines C60 löst sich nicht in Wasser, sondern nur in organischen Lösemitteln, beispielsweise in Toluol.
Doch die Erlanger Arbeitsgruppe schuf Abhilfe: Die Chemiker bastelten verzweigte “Antennen” mit Carboxyl(-COO-)-Gruppen – ausgesprochen wasserliebenden Struk-turen – auf die Oberfläche der Fußballmoleküle. Ein attraktives Ergebnis, denn amerikanische Forscher hatten bereits postuliert, daß Fulleren-Abkömmlinge sehr wirksame Schutzfaktoren für Nervenzellen sein müßten – falls man sie jemals wasserlöslich bekäme. Viele degenerative Krankheiten werden von aggressiven Radikalen ausgelöst. Das sind allgegenwärtige chemische Verbindungen mit einem ungepaarten Elektron. Radikale greifen die Körpergewebe an und verspröden die Zellmembranen – das Gewebe altert. Ist Nervengewebe betroffen, können die Membranschäden am Ende in Altersdemenz münden. Radikale gelten auch als möglicher Ausgangspunkt für die krebsige Entartung von Zellen.
Natürliche Radikalfänger wie Betacarotin und Vitamin E, die der Mensch mit der Nahrung aufnimmt, steuern solchen Schäden entgegen: Sie nehmen zerstörerische Radikalelektronen in sich auf und ziehen sie dadurch aus dem Verkehr. In diesem Mechanismus sieht Andreas Hirsch die große Chance für wasserlösliche – vom Körper aufnehmbare – Fulleren-Abkömmlinge.
Hirsch präzisiert: “C60 ist ein äußerst potenter Radikalfänger, viel wirksamer als beispielsweise das Vitamin E. Mäuse, die experimentell mit Fulleren-Derivaten behandelt wurden, hatten eine um 15 Prozent längere Lebenszeit als unbehandelte Artgenossen.” Der Erlanger Chemiker hat sich die wasserlöslichen Kohlenstoff-Bälle patentieren lassen. Patent- sowie laufende Entwicklungskosten steuerte Hirschs Kooperationspartner bei – der Aventis-Konzern, vormals Hoechst. “Wir hegen die Hoffnung”, begründet Aventis-Projektmanager Dr. Wolfgang Appel, “daß dabei Medikamente zur Vorbeugung von Krebs oder Alzheimerscher Krankheit herauskommen könnten – eine Art Super-Vitamin E.”
Transparente Plastik-Solarzellen Hunger nach Elektronen: Diese Eigenschaft macht das Fulleren nicht nur zum Radikalfänger par excellence. Sie verschafft dem Fußball-Molekül auch eine reelle Chance als Bestandteil eines neuen Photovoltaik-Systems.
Schauplatz dieses Projekts ist die Universität Linz. Eine Arbeitsgruppe um den Physikochemiker Prof. Niyazi Serdar Sarimiftmi entwickelt hier die “photodotierte Plastik-Solarzelle”. Herzstück ist ein hauchdünner Film aus dem Polyparaphenylenvinylen (PPV), einem Kunststoff, und C60-Fulleren. Zwei Elektroden, beispielsweise aus Aluminium und aus Indium-Zinnoxid, umgeben die photoaktive Schicht. Das PPV absorbiert einfallende Lichtquanten, was die Elektronen im Kunststoff in einen energiereichen, angeregten Zustand versetzt. Jetzt tritt das Fulleren in Aktion: In unvorstellbaren 300 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden) reißt es die aktivierten Elektronen an sich und stabilisiert sie, um sie dann an die angrenzende Elektrode weiterzugeben. So beginnt Strom zu fließen.
Schon eine Beimengung von fünf Prozent C60 erhöht den Photostrom um das nahezu Hundertfache. Die resultierenden Module sind federleicht, biegsam und – von einem leichten grünlich-orangenen Schimmer abgesehen – transparent. “Wir denken beispielsweise daran, die Plastik-Solarzellen in Fensterfronten und in die Innenausstattung von Wohnungen zu integrieren”, umreißt Assistent Dr. Christoph Brabec die Pläne der österreichischen Physikochemiker.
Das Projekt ist aus den akademischen Schuhen hinausgewachsen: 1998 gründeten die Universität Linz und das Unternehmen Quantum Solar Energy ein gemeinsames Entwicklungslabor, das Christian-Doppler-Laboratorium für Plastiksolarzellen. Dort entstehen gegenwärtig Prototyp-Module im Format 10 mal 15 Zentimeter – das nächste Ziel sind Plastik-Solarzellen im DIN-A4-Format. Den Wirkungsgrad von derzeit anderthalb Prozent wollen die Linzer auf drei bis fünf Prozent steigern und sehen dann kommerzielle Chancen.
Pigment für Lasertoner – vielleicht schon drin? Kommerzieller Einsatz von Nanoröhren oder Fullerenen – wo der zuallererst zu erwarten sei? Prof. Robert Schlögl vom Berliner Fritz-Haber-Institut, der mit diesen Materialien selbst gearbeitet hat, tippt auf das Naheliegende: “Höchstwahrscheinlich dort, wo heute bereits Kohlenstoff technisch eingesetzt wird.”
Als Beispiele nennt der Chemiker Kohleelektroden, Katalysatorträger und Aktivkohlefilter. “Aktivkohle hat keine einfach beschreibbare Oberfläche, Filterleistung und Standzeit lassen sich nicht eindeutig voraussagen. Da brächte es schon Vorteile, wenn man es statt dessen mit klar strukturierten Kohlenstoff-Molekülen zu tun hätte.”
Als “Domäne des Kohlenstoffs” sieht Schlögl gar das Gebiet der Schwarzpigmente: “Will man in großtechnischem Maßstab etwas schwarz färben, macht man das bislang mit Ruß – von Autoreifen bis zur Drucktechnik.” Ruß besteht aber im wesentlichen aus Graphitpartikeln, und die neigen zum Verkleben.
Gerade bei hochauflösenden Laserdruckern sei der Toner – die pulverförmige Druckfarbe – die weitaus kritischste Komponente. Die Geräte brächten es heute von der enthaltenen Elektronik und Feinmechanik her mühelos auf eine Auflösung von 1200 dpi (“dots per inch”, Druckpunkte pro Zoll). Da habe der Toner es schwer, mitzuhalten.
Nur 10 Nanometer groß sind die Kohlenstoff-Partikel aus Fullerenruß (unten). Sie sollen die Tonerqualität von Laserdruckern verbessern. Alles Kohlenstoff – und doch so verschieden: Der durchsichtige, harte Diamant ist ein Isolator, der schmierig-weiche Graphit leitet elektrischen Strom. Fullerene und Nanoröhren präsentieren sich mit noch seltsameren Eigenschaften.
Die Pigmentteilchen müßten immer kleiner werden, ohne jedoch zusammenzukleben: ein Riesenproblem, an dem Firmen wie NEC seit den siebziger Jahren arbeiten, weiß Schlögl. Offenbar mit Erfolg: “Schauen Sie sich die Farbausdrucke an, die jüngst aus Laserdruckern und Farbkopierern kommen – hier hat ein Qualitätssprung stattgefunden, das ist praktisch Fotoqualität.” Da leistet sich der Berliner Forscher sogar ein Quentchen wissenschaftliche Spekulation: “Ich wäre nicht überrascht, wenn in den heutigen Lasertonern bereits ein paar Prozent fullerenhaltiger Ruß enthalten wären – und wir wissen es nur nicht. Die Hersteller werden sich jedenfalls hüten, das auszuplaudern.”
Infos im Internet zu Nanoröhren: http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html
zu Fullerenen: http://www.organik.uni-erlangen.de/hirsch/fullerenet.html Steckbrief
Nanoröhren Nanoröhren (englisch: Nanotubes) bestehen aus Kohlenstoffatom-Sechsecken, die zu sehr schmalen Zylindern gebogen sind – von einwandig (Durchmesser: 1,4 Nanometer) bis mehr als zehnwandig (Durchmesser: bis zu 30 Nanometer). Die Länge der Röhren beträgt meist um 1 Mikrometer (= 1000 Nanometer) bis zu etwa 10 Mikrometer.
Entdeckung: 1991 durch den Industrieforscher Sumio Iijima bei der japanischen Firma NEC.
Herstellung: Verdampfen einer Graphit-Elektrode in einem Kohlelichtbogen, unter Schutzgas Helium (Krätschmer-Huffman-Synthese), wobei die Nanoröhren sich in Ablagerungen direkt auf der Graphit-Kathode finden. Oder: Katalytische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen – zum Beispiel Propen – bei hohen Temperaturen. Oder: Verdampfung von Graphit mit Laserstrahlen. Fullerene Die hohlen Käfigmoleküle bestehen aus mindestens 60 Kohlenstoff- Atomen (C60). Auch größere Fullerene wie C76, C78, C82, C84… wurden bereits isoliert. C60 enthält 12 Fünfeck- und 20 Sechseckflächen und mißt im Durchmesser 0,71 Nanometer (= milliardstel Meter). Die Fullerene bilden neben Graphit und Diamant die dritte Modifikation des Elements Kohlenstoff.
Entdeckung: 1985 durch Robert Curl jr., Sir Harold Kroto und Richard Smalley (Nobelpreis für Chemie 1996).
Herstellung: Verdampfen einer Graphit-Elektrode in einem Kohlelichtbogen unter dem Schutzgas Helium (Krätschmer-Huffman-Synthese), danach Isolierung der enthaltenen Fullerene aus dem Ruß an der Reaktorwand.
Thorwald Ewe
