Clevere Zweitverwertung: Altes Zeitungspapier könnte in Zukunft für die Produktion von Nanoröhrchen genutzt werden. Wie Forscher berichten, eignet sich dieses Material als Substrat, auf denen die kohlenstoffhaltigen Gebilde im Nanoformat wachsen können. Der Vorteil dabei: Die Verwendung von Zeitungspapier ist kostengünstiger und auch umweltfreundlicher als andere Verfahren.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind winzige Gebilde, die aus einer oder mehreren Schichten graphitartig angeordneter Kohlenstoffatome bestehen. Die langen, dünnen Röhren haben meist nur einen Durchmesser von wenigen Nanometern und besitzen eine ganze Reihe einzigartiger Eigenschaften. Aus diesem Grund eignen sie sich beispielsweise für den Einsatz in Touchscreens und flexibler Elektronik oder für medizinische Anwendungen. Sogar komplette Computer aus Nanotubes haben Forscher bereits konstruiert.
Die Produktion dieser Bauteile im Nanomaßstab ist bisher jedoch noch mit einigen Herausforderungen verbunden. Zwar kann man zum Beispiel durch die katalytische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen ganze Felder von weitgehend parallelen Nanoröhrchen auf einer Oberfläche wachsen lassen – ein Verfahren, das Chemical Vapor Deposition (CVD) heißt. Das richtige Material für dieses Wachstum zu präparieren, ist jedoch teuer und energieaufwändig.
Papier als Ausgangsmaterial?
Auf der Suche nach günstigeren und „grüneren“ Ausgangsmaterialien haben Wissenschaftler in der Vergangenheit unter anderem bereits Nanoröhrchen mithilfe von Lebensmittelabfällen und Pflanzenresten synthetisiert. „Auch Papier wurde schon als mögliches Substrat für das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhrchen untersucht. Allerdings nur auf kleinen Flächen und mit durchwachsenen Ergebnissen“, erklären Bruce Brinson von der Rice University in Houston und seine Kollegen.
Das Team um Brinson hat sich dem Potenzial von Papier daher nun erneut gewidmet – und zwar ganz besonderem Papier. „Wir haben uns altes Zeitungspapier vorgenommen, da es massenweise hergestellt wird, eine große Oberfläche aufweist und preiswert ist“, berichten die Forscher.
Nur mit Kaolin funktioniert’s
Für ihre Studie analysierten die Wissenschaftler zunächst die Eignung unterschiedlicher Sorten von Zeitungspapier als Oberfläche für das Nanoröhrchen-Wachstum. Dabei zeigte sich, dass nicht alle Papiersorten gleich gut funktionieren: Nur Papier mit Leimungsmitteln, die den weißen Füllstoff Kaolin enthielten, ließ Kohlenstoff-Nanoröhrchen entstehen.
Zeitungspapier mit anderen Füllstoffen wie Calciumcarbonat oder Titandioxid hatte demnach nicht die gewünschte Wirkung. „Die chemische Natur des Substrats beeinflusst den Wachstumskatalysator, der in unserem Fall Eisen war, offenbar entscheidend“, berichtet Brinsons Kollege Varun Shenoy Gangoli.
Einwandige Röhrchen
Um einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren auf diesem Papier wachsen zu lassen, behandelten die Forscher das Material mit Aluminiumoxid (Al2O3) und Eisennitrat-Nonahydrat (Fe(NO3)3 x 9H2O) und erhitzten es anschließend 30 Minuten lang bei 400 Grad Celsius. Die bei dieser Kalzinierung entstandenen Verkohlungsrückstände dienten dann als Substrat für das Nanoröhrchen-Wachstum in einer CVD-Kammer.
Genauere Analysen zeigten, dass auf diese Weise halbleitende und metallische Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Durchmessern vorwiegend zwischen einem und vier Nanometern entstanden. Zwar muss das Verfahren in Zukunft noch verfeinert werden. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte Zeitungspapier aber eine mögliche nachhaltigere Alternative für bisher in diesem Zusammenhang verwendete Materialien sein.
Ein Vorteil ist dem Team zufolge dabei auch, dass das Papier von der Rolle geliefert werden kann und so für kontinuierlichen Nachschub im Produktionsprozess sorgt. „Mit unserer Arbeit haben wir ein System entwickelt, das die Kosten dramatisch reduziert und die künftige Massenfertigung einwandiger Kohlenstoff-Nanotubes maßgeblich beeinflussen könnte“, schließt Brinson Kollege Andrew Barron. (Journal of Carbon Research, 2019; doi: 10.3390/c5040066)
Quelle: Swansea University
