Wie wachsen Nanoröhrchen?

  • 29. January 2004

Wie wachsen Nanoröhrchen?

Dänischen Physikern gelang es erstmals, Nanoröhrchen aus Kohlenstoff beim Wachsen zuzuschauen.

Lyngby (Dänemark) – Noch lässt eine Anwendung von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff in Computerchips oder hochempfindlichen Sensoren auf sich warten, doch schon bald könnten sie in vielen Komposit-Materialien – z. B. in Kunststoffen oder funktionellen Keramiken – den klassisch verwendeten Ruß ersetzen. Schon heute entstehen erste Fabriken, um winzige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff im Tonnenmaßstab herzustellen. Dänischen Physikern gelang es nun, erstmals diese Hoffnungsträger der Nanotechnologie beim Wachstum zu beobachten. In der Fachzeitschrift "Nature" berichten sie, dass sich dadurch wertvolle Hinweise auf die gezielte Synthese dieser und anderer Nanomaterialien gewinnen lassen.

"Kohlenstoff-Nanofasern entwickeln sich durch eine reaktionsabhängige Umformung von Nickel-Nanokristallen", erklären Stig Helveg von der Katalysator-Firma Haldor Topsoe und Kollegen von der Technischen Universität von Dänemark in Lyngby. Diese Nickel-Wachstumskeime messen gerade mal 5 bis 20 Nanometer. In einer rund 500 Grad Celsius heißen Methan-Atmosphäre lagern sich einzelne Kohlenstoffatome Lage für Lage an diesen Nanokatalysator an und lassen das winzige Röhrchen langsam bis auf Millimeterlänge anwachsen. Unter dem Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) erkannten Helveg und Kollegen nun, dass sich das mikroskopische Nickelkörnchen dabei abwechselnd ausdehnt und wieder zusammenzieht.

Nanoröhrchen (grün) mit Nickel-Nanocluster (blau) an der Spitze. (Quelle: Haldor Topsøe A/S).

Im Detail dissoziieren die Methan-Moleküle in der Übergangsschicht zwischen Dampfphase und Katalysator-Oberfläche. Einzelne Kohlenstoffatome können sich darauf in das zylindrisch aufgebaute Grafit-Netzwerk des mehrwandigen Nanoröhrchen eingliedern und lassen es so wachsen. Genau diesen Vorgang konnten Helveg und Kollegen mit dem TEM bei einer Auflösung von unter 0,14 Nanometer im Bild festhalten. Überraschend veränderte sich dabei auch die Struktur des katalytisch wirkenden Nickelpartikels. Es schwankt zwischen einer kugelförmigen und einer verlängerten Form hin und her. Eine Erklärung sehen die Forscher in Schwankungen der Oberflächenenergie; zum einen die der reinen Nickeloberfläche und zum anderen die der durch Grafitlagen vollständig eingehüllten äußeren Metallschicht. Sobald diese Grafithülle komplett ist, endet das katalytische Wachstum vorerst und setzt erst wieder ein, wenn durch die Strukturänderung eine freie Nickeloberfläche für die Kohlenwasserstoff-Moleküle zugänglich wird.

Durch diese Beobachtungen gelangten die Physiker auch zu einer Erklärung, warum größere Partikel nicht als geeignete Wachstumskeime dienen: Diese können sich schlicht und einfach nicht so elastisch verformen wie die bis 20 Nanometer großen Metallcluster. Mit diesen Ergebnissen hoffen die Wissenschaftler nun, die Synthese von Nanoröhrchen besser beeinflussen zu können. Ein großes Ziel ist es dabei, Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit explizit bestimmbaren Eigenschaften, zum Beispiel halbleitende oder leitende, getrennt voneinander herzustellen. Bisher entsteht in den Syntheselabors der Welt immer eine wirre Mischung beider Röhrchentypen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • R. H. Baughman et al, Carbon nanotubes - the route towards applications, Science 197, 787. 
  • P. M. Ajayan, Nanotubes from carbon, Chem. Rev. 99, 1787. 
  • D. L. Trimm, The formation and removal of coke from nickel catalyst, Catal. Rev. Sci. Eng. 16,
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