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News & Updates

Kleine Röhren, großes Potenzial

Nanotubes

Mit seiner zufälligen Entdeckung von Kohlenstoffnanoröhren - superdünne, hochleitende Molekulargebilde aus mikroskopisch kleinen Karbonfasern - löste der japanische Forscher Sumio Iijima im Jahr 1991 eine Revolution in den Materialwissenschaften aus. Vorher schienen die Erscheinungsformen reinen Kohlenstoffs auf drei Varianten begrenzt: Diamanten, Grafit und die hohlen, kugelförmigen Fullerene.

Aber wie Iijimas weitere Nachforschungen ergaben, sind Kohlenstoffnanoröhren nicht nur eine vierte Form von Kohle, sondern auch die härteste Substanz der Welt, dabei unglaublich flexibel und tausendmal leitfähiger als Kupfer. Mit einem Mal stand ein ganzes Forschungsfeld offen - und somit unzählige Anwendungen des bahnbrechenden Nanomaterials.

Für seinen Forschungseinsatz ist Iijima in diesem Jahr für den Europäischen Erfinderpreis des Europäischen Patentamts in der Kategorie „Außereuropäische Staaten" nominiert.

Auf dem Weltmarkt wird die vom Elektrokonzern NEC patentierte Erfindung bereits gefeiert: Weltweit stellen bereits über 100 Unternehmen Kohlenstoffnanoröhren her. Die Branche erwirtschaftete 2010 bereits einen Jahresumsatz von 552,3 Mio. Euro, bis 2016 sollen es 912,6 Mio. Euro sein.

Hier einige der vielversprechenden Anwendungsgebiete für die mikroskopisch kleinen Röhren mit enormem Potenzial.

Mit Nano-Elektroden tief ins Gehirn 

An der amerikanischen Rice University in Houston, Texas, haben Hirnforscher aufgrund von Kohlenstoffnanoröhren eine Alternative für konventionelle Metallelektroden zur Tiefen Hirnstimulation (engl. „Deep Brain Stimulation") entwickelt. Die neue Generation von Nano-Elektroden leistet aufgrund der hohen Leitfähig von Kohlenstoffnanoröhren unglaubliches: Sie leiten nicht nur Stromstöße tief ins Gehirn, sondern transportieren auch „Rückmeldungen" aus den neuronalen Schaltkreisen zurück nach außen.

Während herkömmliche Elektroden lediglich Strom in eine Richtung lenken können, liefern die neue „Zwei-Wege-Elektroden" wertvolle diagnostische Einblicke in Echtzeit aus den Tiefen des Gehirns. Dabei sind sie aufgrund ihrer Nanostruktur hoch flexibel, und führen deutlich seltener zu Entzündungen, die den Therapieverlauf beeinträchtigen können.    

„Super" starke Spinnenseide mit Kohlenstoff-Nanoröhren

„Spiderman" lässt grüßen: An der Universität von Trient ist es einem Forscherteam um Nicola Pugno mithilfe von Kohlenstoffnanoröhren gelungen, die Proteine in Fäden der Spinnengattung Pholcidae (Zitterspinnen) dermaßen zu verhärten, dass sie um ein dreifaches stärker und reißfester waren als die robusteste natürliche Spinnenseide.

Nanotubes; picture licensed by Csiro, http://www.scienceimage.csiro.au

Wie Messungen des MIT Technology Review ergaben, übertraf die Reißfestigkeit der „Super"-Spinnenseide sogar Kevlar, den Grundstoff für kugelsichere Westen. 

Die Trienter Methode könnte ebenfalls direkt aus einem Spiderman-Comic stammen: Die Forscher besprühten die Spinnen mit Wasser, angereichert mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Partikeln aus ultra-hartem Graphen - fertig waren die Super-Spinnen. Die genauen Wirkmechanismen will das Team noch erforschen, hat aber bereits fantastische Anwendungen vor Augen, etwa ein „Super-Netz" zum Auffangen abstürzender Flugzeuge.

 

„Papierbatterien" und Origami

Kurzlebige Batterien gehören durch die extrem hohe Leitfähigkeit von Nanoröhren vielleicht bald der Vergangenheit an. An der Arizona State University haben Forscher aus mit Kohlenstoffnanoröhren beschichteter Zellulose - sprich: Papier - eine nur 0,3 mm dünne „Papierbatterie" entwickelt. Die innovative Lithiumionenbatterie verbindet auf ihrer glatten Oberfläche die Eigenschaften einer langlebigen Batterie mit einem Superkondensator und hält deutlich länger als herkömmliche Batterien ihre Ladung.

Der Clou: Durch Zusammenfalten nach der Miura-Technik - entwickelt vom japanischen Astrophysiker Koryo Miura zum Zusammenfalten von Solarkollektoren in der Raumfahrt - erhöht das Elektro-Papier seine elektrische Ladungsdichte um ein 14-faches. Die Antwort auf die Batteriekrise besteht also womöglich aus Nanoröhren...und Origami.

Mikrochips, gemalt mit „Nano-Tinte"

Sumio Iijima

Die Mikrochips der Zukunft sind vielleicht von Hand gemalt. An der Tsinghua University in Peking haben Forscher eine Methode entwickelt, die komplexen Muster auf Halbleiterplatinen aus Kohlenstoffnanoröhren-Tinte mit einem Stift zu malen. Im Vergleich zu Halbleitermaterialien wie Gold und Silber sind Kohlenstoffnanoröhren nicht nur extrem preiswert, sondern auch in mehreren Lagen auftragbar und hoch leitfähig.

Die Nano-Tinte verbindet Kohlenstoffnanoröhren mit einer Lösung aus Polyethylenoxid (PEO), einem dickflüssigen Polymer. Durch die extrem robuste chemische Zusammensetzung des PEO können Muster bis zu 50 cm Länge per Stift aufgetragen werden. Und wie Tests ergaben, erhöht das flexible Material nach tausendmaligem Zusammenfalten seine Leitfähigkeit um 30% - die perfekte Grundlage für eine neue Generation dehnbarer Mikrochips aus Gummi.

Mit Nanoröhren „gebackene" Flugzeugteile  

Nanotechnologie revolutioniert auch die großflächige Verarbeitung von Verbundwerkstoffen, etwa in der Herstellung von Flugzeugteilen. Während die hitzeempfindlichen Kunststoffe in Tragflächen und Rumpfteilen gewöhnlich in gigantischen Öfen zusammengefügt werden, haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston eine sanfte Alternative entwickelt.

Der hauchdünne Film aus Kohlenstoffnanoröhren wird um die Einzelteile gewickelt und liefert unter elektrischer Spannung genügend gleichmäßig verteilte Hitze, um alle gängigen Kunststoffe in der Flugzeugherstellung sicher zu verschweißen. Die nur 400 Mikron langen Nanoröhren bringen enorme Effizienzsteigerungen im Vergleich zu industriellen Heißöfen: Der Nano-Heizfilm senkt den Energieverbrauch um ein tausendfaches, was die Produktionskosten halbiert - das dürfte auch in der Wirtschaft „heißes" Interesse wecken.