Wissenschaftler lassen Kohlenstoff-Nanoröhren-Wald viel länger wachsen als jeder andere
Neuartige Technik liefert einen Kohlenstoff-Nanoröhren-Wald von Rekordlänge, der die Zukunft vieler Industrien revolutionieren könnte
Heute innovieren eine Vielzahl von Industriezweigen, darunter Optik, Elektronik, Wasserreinigung und Arzneimittelabgabe, in einem noch nie dagewesenen Ausmaß mit nanometerbreiten Rollen wabenförmiger Graphitplatten, die als Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) bezeichnet werden. Eigenschaften wie geringes Gewicht, bequeme Struktur, immense mechanische Festigkeit, hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit und Stabilität heben CNTs von anderen Materialalternativen ab. Um ihren steigenden industriellen Bedarf zu decken, muss ihre Produktion jedoch ständig gesteigert werden, und darin liegt die größte Herausforderung beim Einsatz von CNTs.
Wissenschaftler aus Japan haben einen Weg vorgeschlagen, um eine längere Lebensdauer des Katalysators und eine höhere Wachstumsrate zu gewährleisten und so einen CNT-Wald zu schaffen, der siebenmal so lang ist wie jede bestehende CNT-Anordnung.
Waseda University
Wissenschaftler konnten zwar einzelne CNTs mit einer Länge von ca. 50 cm züchten, aber wenn sie es mit Arrays oder Wäldern versuchen, stoßen sie bei ca. 2 cm an eine Decke. Das liegt daran, dass der Katalysator, der für das Wachstum von CNTs entscheidend ist, deaktiviert wird und/oder ausläuft, bevor CNTs in einem Wald weiter wachsen können, was die Geld- und Rohstoffkosten der CNT-Produktion in die Höhe treibt und die industrielle Nutzung zu begrenzen droht.
Jetzt wurde von einem Team von Wissenschaftlern aus Japan eine Strategie entwickelt, die die Obergrenze durchbricht. In ihrer in der Zeitschrift Carbon veröffentlichten Studie stellt das Team einen neuartigen Ansatz für eine konventionelle Technik vor, die CNT-Wälder mit einer Rekordlänge hervorbringt: ~14 cm-7 mal mehr als das bisherige Maximum. Hisashi Sugime, Assistenzprofessor an der Waseda-Universität, der das Team leitete, erklärt: "Bei der herkömmlichen Technik hören die CNTs aufgrund einer allmählichen strukturellen Veränderung des Katalysators auf zu wachsen, deshalb konzentrierten wir uns auf die Entwicklung einer neuen Technik, die diese strukturelle Veränderung unterdrückt und den CNTs erlaubt, über einen längeren Zeitraum zu wachsen.
Das Team schuf zunächst einen Katalysator, der auf den Ergebnissen einer früheren Studie basierte. Sie fügten dem herkömmlichen Eisen-Aluminiumoxid (Fe/Al2Ox)-Katalysator, der auf ein Silizium (Si)-Substrat aufgetragen wurde, eine Gadolinium (Gd)-Schicht hinzu. Diese Gd-Schicht verhinderte bis zu einem gewissen Grad die Verschlechterung des Katalysators, so dass der Wald bis zu einer Länge von etwa 5 cm wachsen konnte.
Um eine weitere Verschlechterung des Katalysators zu verhindern, platzierte das Team den Katalysator in seiner ursprünglichen Kammer, der sogenannten CVD-Kammer (Cold Gas Chemical Vapor Deposition). Dort erhitzten sie ihn auf 750°C und versorgten ihn mit kleinen Konzentrationen (Teile pro Million) von Fe- und Al-Dämpfen mit Raumtemperatur.
Dies hielt den Katalysator 26 Stunden lang stark, in dieser Zeit konnte ein dichter CNT-Wald auf 14 cm anwachsen. Verschiedene Analysen zur Charakterisierung der gewachsenen CNTs zeigten, dass sie von hoher Reinheit und Wettbewerbsstärke waren.
Diese Errungenschaft überwindet nicht nur die Hürden für eine weit verbreitete industrielle Anwendung von CNTs, sondern öffnet auch Türen in der nanowissenschaftlichen Forschung. "Diese einfache, aber neuartige Methode, die die Lebensdauer des Katalysators durch die Bereitstellung von Dampfquellen im ppm-Bereich drastisch verlängert, ist aufschlussreich für die Katalysatortechnik in anderen Bereichen wie der Petrochemie und der Nanomaterial-Kristallzüchtung", sagt Sugime. "Das hierin enthaltene Wissen könnte entscheidend dazu beitragen, Nanomaterialien zu einer allgegenwärtigen Realität zu machen".
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