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Kohlenstoffnanoröhre


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Kohlenstoffnanoröhren auch CNT (carbon nano tubes) sind kleine röhrenförmige Gebilde ( molekulare Nanoröhren ) aus Kohlenstoff .

Ihre Wände bestehen ähnlich wie die Fullerene oder wie die Ebenen des Graphits nur aus Kohlenstoff wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen. Der Durchmesser der Röhren liegt meist im Bereich 1-50 Nanometern (nm) aber es wurden auch Röhren nur 0 4 nm Durchmesser hergestellt. Längen bis zu 20 Zentimetern wurden bereits erreicht.

Man unterscheidet zwischen ein- und mehrwandigen offenen oder geschlossenen Röhren (mit einem Deckel einen Ausschnitt aus einer Fullerenstruktur hat) und zwischen leeren und gefüllten (z.B. mit Silber flüssigem Blei oder Edelgasen ). Je nach Detail der Struktur ist elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Röhre metallisch oder halbleitend ; es sind auch Kohlenstoffröhren bekannt die tiefen Temperaturen supraleitend sind. Es wurden bereits Transistoren und einfache Schaltungen mit den halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Die sucht nun nach Möglichkeiten komplexe Schaltkreise aus verschiedenen Kohlenstoffnanoröhren gezielt herzustellen.

Die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind
CNTs haben eine Dichte von 1 3-1 4 <math>g/cm^3</math> und Zugfestigkeit von 45 Milliarden Pascal . Stahl hat eine Dichte von mind. 7 <math>g/cm^3</math> und eine maximale Zugfestigkeit von 2 Pascal. Daraus ergibt sich für CNTs rechnerisch mind. 135-mal besseres Verhältnis von Zugfestigkeit zu als für Stahl.

Für die Elektronikindustrie sind vor allem Strombelastbarkeit und die Wärmeleitfähigkeit interessant: Erstere liegt schätzungsweise 1000-mal höher bei Kupferdrähten letztere ist bei Zimmertemperatur mit 6000 W/m*K beinahe doppelt so wie die von Diamant (3320 W/m*K). Da auch Halbleiter sein können lassen sich aus hervorragende Transistoren fertigen die höhere Spannungen und - und damit höhere Taktfrequenzen - als aushalten. Erste experimentelle funktionsfähige Transistoren aus CNTs bereits hergestellt.

Ganze Bündel von Röhren wurden bereits Fäden oder Matten verarbeitet die als Werkstoff verwendet werden sollen. Bündel von Nanoröhren in einem Elektrolyt elektrisch aufgeladen werden können auch als Aktuator wirken.

Felder von parallel aufgestellten Nanoröhren lassen herstellen und die prinzipielle Eignung als Bauteil flache und selbstleuchtende Bildschirme wurde ebenfalls demonstriert: Dabei dienen die Spitzen der Nanoröhren als Quelle für Elektronen (winzige Elektronenkanone Elektronenemitter Kaltkathode schon bei geringen Spannungen) die wie beim herkömmlichen Fernsehgerät gegen einen Leuchtschirm beschleunigt werden. Sie auch als Spitzen für schärfere Rastertunnelmikroskope verwendet die bereits im Handel verfügbar und die Auflösung der RTM um den Faktor 10 verbessern.

Bisher noch nicht ausreichend erforscht sind Effekte die im Zusammenhang mit Kohlenstoffnanoröhrchen evtl. könnten. Eine Argumentation weist auf die längliche Struktur hin die der von Asbest ähnelt. Studien die auf Tierversuchen basieren zeigen entgegengesetzte Ergebnisse etwa in auf Entzündungsreaktionen im Lungengewebe von Mäusen . So wurden Mäusen im Versuch CNTs einer Konzentration injiziert die 10.000-mal höher als in der Umwelt zu erwartende war ohne Entzündungsreaktion. Trotz der anhaltenden Kontroverse die in Umfang auch die Öffentlichkeit zu erreichen beginnt derzeit (Anfang 2004) die großindustrielle Produktion von an.

Struktur der Nanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren leiten sich von den Kohlenstoffebenen Graphits ab die zu einer Röhre aufgerollt Die Kohlenstoffatome bilden eine wabenartige Struktur mit und jeweils drei Bindungspartnern. Röhren mit ideal hexagonaler Struktur haben eine einheitliche Dicke und linear; es sind aber auch geknickte oder verengende Röhren möglich die fünfeckige Kohlenstoffringe enthalten. nachdem wie das Wabennetz des Graphits zur gerollt wird ("gerade" oder "schräg") treten auch helicale (schraubenartig gewundene) und damit nicht mehr sondern chirale Strukturen auf.

Entdeckung und Herstellung

Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren wurden 1991 von Professor Sumio Iijima mit einem Elektronenmikroskop entdeckt. Er hatte eine Lichtbogenentladung zwischen erzeugt. 1993 wurden die einwandigen Kohlenstoffnanoröhren entdeckt. Sie ebenfalls im Lichtbogen hergestellt werden wenn man Katalysatoren zusetzt. Der Nobelpreisträger Richard E. Smalley veröffentlichte 1996 ein Laserverfahren zur Herstellung von einwandigen Dabei wird Graphit mit einem Laser abgetragen ("verdampft"). Außerdem entstehen Nanoröhren bei katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen ; mit diesem Verfahren (engl. Chemical vapor deposition kurz CVD ) kann man ganze Felder von weitgehend Röhren auf einer Unterlage aufwachsen lassen. Jedes drei Verfahren (Lichtbogen Laser Gaszersetzung) ist inzwischen weit entwickelt dass damit größere Mengen gleichmäßiger Durchmesser Länge Defekte Mehrwandigkeit) CNTs hergestellt werden Man kann heute fertige Kohlenstoffnanoröhren von verschiedenen (z.B. Zyvex ) in Grammmengen kaufen.



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