Blog

Jul 01, 2023

Neue Nanoröhrenfasern verfügen über eine unübertroffene Kombination aus Festigkeit, Leitfähigkeit und Flexibilität (mit Video)

10. Januar 2013 von

10. Januar 2013

von der Rice University

(Phys.org) – Der jüngste Durchbruch in der Nanotechnologie der Rice University hat mehr als zehn Jahre gedauert, war aber dennoch mit einem Schock verbunden. Wissenschaftler von Rice, der niederländischen Firma Teijin Aramid, der US Air Force und dem israelischen Technion Institute stellten diese Woche eine neue Kohlenstoff-Nanoröhrenfaser (CNT) vor, die wie ein Textilfaden aussieht und sich verhält und Strom und Wärme wie ein Metalldraht leitet. In der Science-Ausgabe dieser Woche beschreiben die Forscher ein industriell skalierbares Verfahren zur Herstellung der fadenförmigen Fasern, die kommerziell erhältliche Hochleistungsmaterialien in vielerlei Hinsicht übertreffen.

„Endlich haben wir eine Nanoröhrenfaser mit Eigenschaften, die es in keinem anderen Material gibt“, sagte der leitende Forscher Matteo Pasquali, Professor für chemische und biomolekulare Technik und Chemie an der Rice University. „Es sieht aus wie schwarzer Baumwollfaden, verhält sich aber sowohl wie Metalldrähte als auch wie starke Kohlefasern.“

Das Forschungsteam besteht aus akademischen, staatlichen und industriellen Wissenschaftlern von Rice; Hauptsitz von Teijin Aramid in Arnheim, Niederlande; das Technion-Israel Institute of Technology in Haifa, Israel; und das Air Force Research Laboratory (AFRL) in Dayton, Ohio.

„Die neuen CNT-Fasern haben eine Wärmeleitfähigkeit, die der der besten Graphitfasern nahekommt, aber eine zehnmal höhere elektrische Leitfähigkeit“, sagte Marcin Otto, Co-Autor der Studie und Business Development Manager bei Teijin Aramid. „Graphitfasern sind außerdem spröde, während die neuen CNT-Fasern so flexibel und zäh sind wie ein Textilfaden. Wir gehen davon aus, dass diese Kombination von Eigenschaften zu neuen Produkten mit einzigartigen Fähigkeiten für die Märkte Luft- und Raumfahrt, Automobil, Medizin und intelligente Kleidung führen wird.“

Die phänomenalen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren haben Wissenschaftler seit ihrer Entdeckung im Jahr 1991 fasziniert. Die hohlen Röhren aus reinem Kohlenstoff, die fast so breit wie ein DNA-Strang sind, sind etwa 100-mal stärker als Stahl und wiegen nur ein Sechstel. Die Leitfähigkeitseigenschaften von Nanoröhren – sowohl für Strom als auch für Wärme – konkurrieren mit den besten Metallleitern. Sie können auch als lichtaktivierte Halbleiter, Geräte zur Medikamentenverabreichung und sogar als Schwämme zum Aufsaugen von Öl dienen.

Leider sind Kohlenstoffnanoröhren auch die Primadonna der Nanomaterialien; Trotz ihres außerordentlichen Potenzials ist es schwierig, mit ihnen zu arbeiten. Zunächst dauerte es fast ein Jahrzehnt, die Mittel zur Herstellung großer Mengen an Nanoröhren zu finden. Wissenschaftler erfuhren auch schon früh, dass es mehrere Dutzend Arten von Nanoröhren gibt – jede mit einzigartigen Material- und elektrischen Eigenschaften; und Ingenieure müssen noch einen Weg finden, nur einen Typ zu produzieren. Stattdessen entsteht bei allen Produktionsmethoden ein Sammelsurium an Sorten, oft in haarballenartigen Büscheln.

Die Herstellung großformatiger Objekte aus diesen Nanoröhrenklumpen war eine Herausforderung. Eine fadenförmige Faser, die weniger als ein Viertel der Dicke eines menschlichen Haares hat, enthält zig Millionen nebeneinander gepackte Nanoröhren. Im Idealfall sind diese Nanoröhren perfekt ausgerichtet – wie Bleistifte in einer Schachtel – und dicht gepackt. Einige Labore haben Möglichkeiten untersucht, solche Fasern im Ganzen wachsen zu lassen, aber die Produktionsraten dieser „festen“ Fasern haben sich im Vergleich zu Faserproduktionsmethoden, die auf einem chemischen Prozess namens „Nassspinnen“ beruhen, als recht langsam erwiesen. Bei diesem Verfahren werden Klumpen roher Nanoröhren in einer Flüssigkeit aufgelöst und durch winzige Löcher gespritzt, um lange Stränge zu bilden.

Kurz nach seiner Ankunft bei Rice im Jahr 2000 begann Pasquali bei dem verstorbenen Richard Smalley, einem Nanotechnologie-Pionier und Namensgeber des Rice Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, CNT-Nassspinnmethoden zu studieren. Im Jahr 2003, zwei Jahre vor seinem frühen Tod, arbeitete Smalley mit Pasquali und Kollegen zusammen, um die ersten reinen Nanoröhrenfasern herzustellen. Die Arbeit etablierte ein industriell relevantes Nassspinnverfahren für Nanoröhren, das den Methoden zur Herstellung von Hochleistungs-Aramidfasern – wie Teijins Twaron – analog war, die in kugelsicheren Westen und anderen Produkten verwendet werden. Der Prozess musste jedoch verfeinert werden. Die Fasern waren nicht sehr stark oder leitfähig, was teilweise auf Lücken und die Fehlausrichtung der Millionen von Nanoröhren in ihrem Inneren zurückzuführen war.

„Das Erreichen einer sehr hohen Packungsdichte und Ausrichtung der Kohlenstoffnanoröhren in den Fasern ist von entscheidender Bedeutung“, sagte der Co-Autor der Studie, Yeshayahu Talmon, Direktor des Russell Berrie Nanotechnology Institute des Technion, der vor etwa fünf Jahren mit Pasquali zusammenzuarbeiten begann.

Der nächste große Durchbruch gelang 2009, als Talmon, Pasquali und Kollegen das erste echte Lösungsmittel für Nanoröhren entdeckten – Chlorsulfonsäure. Zum ersten Mal hatten Wissenschaftler die Möglichkeit, hochkonzentrierte Nanoröhrenlösungen herzustellen, eine Entwicklung, die zu einer verbesserten Ausrichtung und Packung führte.

„Bis zu diesem Zeitpunkt glaubte niemand, dass das Ausspinnen von Chlorsulfonsäure möglich sei, weil diese mit Wasser reagiert“, sagte Pasquali. „Ein Doktorand in meinem Labor, Natnael Bahabtu, hat einfache Wege gefunden, um zu zeigen, dass CNT-Fasern aus Chlorsulfonsäurelösungen gesponnen werden können. Das war entscheidend für dieses neue Verfahren.“

Pasquali sagte, andere Labore hätten herausgefunden, dass die Festigkeit und Leitfähigkeit gesponnener Fasern auch verbessert werden könnte, wenn das Ausgangsmaterial – die Klumpen roher Nanoröhren – lange Nanoröhren mit wenigen atomaren Defekten enthielten. Im Jahr 2010 begannen Pasquali und Talmon, mit Nanoröhren verschiedener Lieferanten zu experimentieren und mit AFRL-Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten, um die genauen elektrischen und thermischen Eigenschaften der verbesserten Fasern zu messen.

Im gleichen Zeitraum evaluierte Otto Methoden, die verschiedene Forschungszentren zur Herstellung von CNT-Fasern vorgeschlagen hatten. Er stellte sich vor, die Entdeckungen von Pasquali, das Know-how von Teijin Aramid und die Verwendung langer CNTs zu kombinieren, um die Entwicklung von Hochleistungs-CNT-Fasern voranzutreiben. Im Jahr 2010 hat Teijin Aramid ein Projekt mit Rice ins Leben gerufen und finanziert, und die Faserspinnexperten des Unternehmens haben während des gesamten Projekts mit Rice-Wissenschaftlern zusammengearbeitet.

„Die wissenschaftliche und technische Hilfe von Teijin führte zu sofortigen Verbesserungen der Festigkeit und Leitfähigkeit“, sagte Pasquali.

Junichiro Kono, Co-Autor der Studie und Rice-Professor für Elektro- und Computertechnik, sagte: „Die Forschung zeigte, dass die elektrische Leitfähigkeit der Fasern mit Techniken abgestimmt und optimiert werden konnte, die nach der ersten Produktion angewendet wurden. Dies führte zu der höchsten Leitfähigkeit aller Zeiten.“ für eine makroskopische CNT-Faser berichtet.

Die in „Science“ vorgestellten Fasern hätten eine etwa zehnmal höhere Zugfestigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit als die besten bisher berichteten nassgesponnenen CNT-Fasern, sagte Pasquali. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit der neuen Fasern liegt auf dem Niveau von Kupfer-, Gold- und Aluminiumdrähten, das neue Material weist jedoch Vorteile gegenüber Metalldrähten auf.

Eine Anwendung, bei der sich hohe Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit als nützlich erweisen könnten, wären beispielsweise Daten- und Low-Power-Anwendungen, sagte Pasquali.

„Metalldrähte brechen in Walzen und anderen Produktionsmaschinen, wenn sie zu dünn sind“, sagte er. „In vielen Fällen werden Metalldrähte verwendet, die weitaus dicker sind als für den elektrischen Bedarf erforderlich, einfach weil es nicht möglich ist, einen dünneren Draht herzustellen. Datenkabel sind ein besonders gutes Beispiel dafür.“

Mehr Informationen: „Starke, leichte, multifunktionale Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren mit ultrahoher Leitfähigkeit“ von N. Behabtu et al. Wissenschaft, 2013.

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaft

Zur Verfügung gestellt von der Rice University