Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind fast doppelt so widerstandsfähig wie bisher angenommen. Bisher nur theoretisch berechnet oder in Tests ganzer Bündel ermittelt, hat jetzt ein Forscherteam die Stabilität der Mini-Röhrchen erstmals einzeln getestet. Das überraschende Ergebnis: Selbst bei Dehnungen von über 14 Prozent zeigten sich keine Brüche in ihrer Wandstruktur. Damit sind sie deutlich stärker und stabiler als bisher gedacht.
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Sie gelten als wahre Alleskönner unter den Winzlingen: Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind nur wenige Nanometer dick – ihr Durchmesser liegt bei weniger als einem 50.000stel eines menschlichen Haares. Ihre Wände bestehen aus sechseckigen Kohlenstoffringen, deren Muster einem Maschendrahtzaun ähnelt. Diese Struktur macht sie zu einem der stabilsten und gleichzeitig flexibelsten bekannten Materialien. Nach bisherigen Messungen sind die Nanotubes zehnmal zugfester als Stahl und fast doppelt so stabil wie Diamant, das bislang härteste Material der Welt. Andererseits reagieren sie auf starke Zugkräfte mit enormer Dehnfähigkeit und brechen nicht.
Theoretische Werte zwischen sechs und 15 Prozent
Wie stark und dehnbar die Röhrchen aber tatsächlich sind, dazu kursierten bisher sehr unterschiedliche Werte. Einige theoretische Berechnungen gingen davon aus, dass bei Dehnungen über sechs Prozent zwischen fünf und sieben Defekte in der Struktur der Röhrchen auftreten müssten. Andere kamen erst bei einer Dehnung von 15 Prozent auf solche Defektraten. Experimentelle Messungen fanden bisher meist an ganzen Bündeln von Röhrchen statt, so dass nicht geklärt werden konnte, wie sich die Dehnungskräfte tatsächlich auf die einzelnen Röhrchen verteilten.
Einzelmessung ergibt doppelte Festigkeit
Jetzt haben Forscher der Universität von Südkalifornien Messungen angestellt, bei denen sie einzelne ultralange Kohlenstoff-Nanoröhrchen verschiedener Länge und Dicke starken Zugkräften aussetzten und mittels Raman-Spektroskopie Veränderungen ihrer Struktur registrierten. Das Ergebnis: Die Nanoröhrchen konnten um 14 Prozent gedehnt werden, ohne dass Brüche in der Struktur auftraten. Dies entspricht mehr als dem Doppelten früherer Experimente. Damit sind sie mindestens 117 Mal stärker als Stahl und 30 Mal stärker als Kevlar, das Material, das beispielsweise für schusssichere Westen eingesetzt wird.
Damit etabliert das Experiment „einen neuen Grenzwert für die ultimative Stärke der Kohlenstoff-Nanoröhrchen“, wie die Forscher in ihrer im Fachmagazin „ACS Nano“ veröffentlichten Studie schreiben. Für die Entwicklung neuer Materialien wie beispielsweise spezialverstärktem Leichtbeton oder Nanokabeln ist diese Erkenntnis durchaus positiv.
(American Chemical Society, 16.09.2010 – NPO)
