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Welche Kohlenstoff-Nanostrukturen gibt es?

Kohlenstoff ist einer der am häufigsten vorkommenden Materialien. Als Bestandteil jeglicher organischer Verbindungen ist es uns genauso bekannt, wie in seiner reinsten Form als Diamant. Während der letzten 30 Jahre wurde außerdem eine Vielzahl von weiteren Strukturen entdeckt, welche ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehen, jedoch sehr unterschiedliche Formen und Eigenschaften aufweisen. Graphit ist dabei strenggenommen keine dieser Kohlenstoff-Nanostrukturen, da die einzelnen Ebenen durch schwache Van-der-Waals Wechselwirkung eine makroskopische dreidimensionale Struktur bilden, während andere die anderen Nanostrukturen in einer oder mehreren ihrer Dimensionen nur einige wenige Nanometer ausgedehnt sind.

Zu den wichtigsten Kohlenstoff-Nanostrukturen zählen: 

Bild 3: Schematische Darstellung von Kohlenstoff-Nanostrukturen: a) Fulleren C60, b) Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre (Durchmesser ~0.78nm), c) Graphen Schicht, d) Teil einer Graphit-Struktur.
  • Fullerene: Diese Nanostrukturen bestehen aus einer genau definierten Anzahl von Kohlenstoff-Atomen, wobei die Moleküle sphärische Form aufweisen. Der wohl bekannteste Vertreter aus der Gruppe der Fullerene ist das C60-Molekül (auch „Bucky Ball“ genannt) welches erstmals 1985 durch die Publikationen von Curl, Smalley und Kroto Bekanntheit erlangte, die dafür 1996 auch den Nobelpreis für Chemie erhielten. Der Name stammt vom Architekten Richard Buckminster Fuller, der vor allem durch die Planung von geodätischen Kuppeln bekannt wurde, die wie auch die Fullerene aus Fünf- und Sechsecken bestehen.
    Fullerene kommen in der Natur nur in winzigen Mengen vor und müssen in einem aufwendigen Prozess künstlich erzeugt werden. Das Endprodukt erscheint makroskopisch als schwarzes Pulver. Der Hohlraum der Fullerene kann unterschiedlichste Stoffe beherbergen, wie zum Beispiel mehreren Kalium-Atomen, was diese „Heterofullerene“ zu Supraleitern macht.
    Die in Österreich wohl bekanntesten Experimente wurden in der Gruppe von Prof. Anton Zeilinger an der Universität Innsbruck durchgeführt. Dabei wurden Fullerene für Doppelspaltexperimente verwendet und gezeigt, dass die Voraussagen der Quantenmechanik auch für größere (makroskopische) Objekte nachgewiesen werden können.

  • Kohlenstoff-Nanoröhren: Nanoröhren weißen meist Durchmesser von einigen Nanometer bis unter 0.5 nm und Längen im Mikrometerbereich bis maximal einige cm auf. Kohlenstoff-Nanoröhren können dabei einwandig, doppelwandig oder mehrwandig sein, wobei vor allem einwandige Nanoröhren für Anwendungen benutzt werden, da ihre Eigenschaften leichter zu kontrollieren sind. Nanoröhren sind „aufgerollte“ Graphitebenen. Da man diese in unterschiedlichsten Winkeln aufrollen kann, entstehen verschiedenste Nanoröhren-Strukturen, die aber nahezu identische Durchmesser aufweisen. Diese unterscheiden sich vor allem in ihren elektronischen Eigenschaften, wobei allgemein ein Drittel metallische und zwei Drittel halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren entstehen. Die Herstellung der Kohlenstoff-Nanoröhren kann in sehr ähnlichen Prozessen wie bei Fullerenen erfolgen. Zusätzlich wurden in den letzten zehn Jahren Methoden entwickelt um auch größere Mengen von Nanoröhren in weniger aufwendigen Prozessen zu produzieren. Dennoch ist die Menge und Qualität der derzeit hergestellten Nanoröhren noch nicht ausreichend, um z.B. Elektronikbauteile in industriellen Mengen herzustellen.
    Die möglichen Anwendungen von Kohlenstoff-Nanoröhren sind weitreichend. Von der mechanischen Verstärkung von Sportgeräten (aus Carbonfaser) bis zu Anwendungen n der Mikro-und Nanoelektronik. Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind aber in der Konstruktion von noch effektiveren Akkus und Batterien, wo die Nanoröhren als Speicher für z.B. Lithium-Ionen dienen. Weiters werden Nanoröhren auch vielfach als Ersatz für Bauteile aus der konventionellen Halbleiterelektronik diskutiert. Es wurden auch bereits auch Prototypen für einfache Kohlenstoff-Nanoröhren Computer hergestellt.

  • Graphen: Unter der Bezeichnung Graphen versteht man nichts anderes als eine einzige Graphitschicht. Diese ist meist auf ein darunter liegendes Substrat aufgebracht. Erstmalig wurde Graphen unter Verwendung von Klebeband (Scotch-Tape) durch mehrmaliges abziehen von Graphit hergestellt. Heute gibt es auch einige weitere chemische Herstellungsmethoden, sowie die Möglichkeit Graphen auch durch epitaktisches Wachstum auf Metallsubstraten herzustellen. Novoselov und Geim (Universität Manchester) erhielten 2010 den Nobelpreis für Physik für die erstmalige Herstellung einer einzigen Graphen Schicht.
    Die Eigenschaften von Graphen unterscheiden sich grundlegend von jenen des Graphits. Dies liegt vor allem daran, dass es sich dabei aufgrund der Verwendung einer einzigen atomaren Schicht um eine echt zweidimensionale Struktur handelt. Reines Graphen ist ein Halbleiter ohne Bandlücke, was das Material in der Realität metallisch erscheinen lässt.
    Graphen weist in der Richtung der Schicht eine extrem hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit auf. Graphen zeigt außerdem außergewöhnlich hohe Leitfähigkeit und weitere Eigenschaften, wie den ungewöhnlichen Quanten-Hall-Effekt und ungewöhnliche Spin-Eigenschaften der Elektronen in der Graphenschicht.
    Ähnlich wie bei Kohlenstoff-Nanoröhren gibt es auch im Fall von Graphen viele mögliche Anwendungen in der (Nano)Elektronik, in Akkus oder in der Photovoltaik, wo man konventionelle Halbleiter ersetzen möchte. Zusätzlich können die Eigenschaften von Graphen gezielt gesteuert werden, indem einzelne Kohlenstoff-Atome durch Fremdatome ersetzt werden. Im Moment wird die Erforschung der Eigenschaften und Anwendbarkeit von Graphen im Rahmen eines Flagship Projekts der EU mit beträchtlichen Fördermitteln vorangetrieben.

Bild 4: Schematische Darstellung von a) Nanocones (nach einem Bild von Eberly College of Science, Penn State University), b) Nanohorns (nach einem Bild der NEC Cooperation, Japan). c) Raster-Elektronen-Mikroskopie-Bild von Kohlenstoff-Nanospiralen (H. Shiozawa et al., Scientific Reports 3, 1840 (2013))
  • Weiter Nanostrukturen (Nanoribbons, Nanocones und andere exotische Formen): Nanocones und Nanohorns weisen beide an einem ihrer Enden eine ähnliche Form auf wie Kohlenstoff-Nanoröhren. Allerdings sind diese Strukturen nicht röhrenförmig, sondern verlaufen zu einer Spitze (Nanocone) oder einem abgerundeten Ende (Nanohorn). Beide Strukturen entstehen in denselben Prozessen in welchen auch Kohlenstoff-Nanoröhren entstehen.
    Nanoribbons sind Graphen-„Streifen“ mit stark eingeschränkter Breite von einigen 10 nm. Die spezifischen elektronischen Eigenschaften, welche durch die begrenzte Breite entstehen (ähnlich wie in Kohlenstoff-Nanoröhren) könnten ebenfalls in elektronischen Anwendungen genutzt werden.
    Weitere Formen (Nanospiralen), welche von Dr. Shiozawa von der EPM Gruppe entdeckt wurde, sind in Bild 4 zu sehen, deren Eigenschaften noch nicht vollständig erforscht sind, welche aber interessante geometrische Formen bilden.
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