Ein Werkzeug aus Licht - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen ...

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„Kleiner, schneller, leistungsfähiger“ lauten zunehmend die Anforderungskriterien für heutige und zukünftige technische Produkte. Damit wird das 21. Jahrhundert zur Ära der Nanotechnologie, der Technologie der kleinsten denkbaren Bausteine. Gegenstand der Nanotechnologie ist die Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen, Materialien und Apparaten mit Dimensionen von einigen 10 Nanometern (1 Nanometer nm = 1 Millionstel Millimeter) bis hinunter zu molekularen und atomaren Abmessungen. Visionen der Nanotechnologieforschung sind schnellschaltende Logiken, Halbleiter- und Speicherelemente in der Größe von Molekülen, Nanometerminiaturisierte Instrumente und Werkzeuge, Energiespeichersysteme, Nanomaterialien und -werkstoffe. Produkte dieser Art werden die Grundlagen für zukünftige Elektronik, Kommunikationssysteme, technische Anwendungen und Automation darstellen. Besonders vielversprechende Nanometerobjekte mit völlig neuartigen Eigenschaften sind die Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNTs). Der japanische Physiker Sumio Iijima beobachtete 1991 Faszination Technik a b c d e Abb. 1: a) Computermodellierte Darstellung einer MWCNT vor dem Hintergrund einer Elektronenmikroskop-Aufnahme; b) Arm chair-Form einer SWCNT; c) helikale Form und d) Zickzack-Formen von SWCNTs; e) ein Bündel von SWCNTs. Abbildungen: Lehrstuhl für Organische Chemie Andreas Hirsch/Otto Vostrowsky/Lothar Ley/Ralf Graupner Die denkbar kleinsten Röhren Kohlenstoffnanoröhren – Bausteine mit einzigartigen Eigenschaften bei der Verdampfung von Kohlenstoff im elektrischen Lichtbogen die Entstehung von kleinsten Röhrchen. Aufgebaut aus zylinderförmig zusammengerollten Graphitschichten mit einem Sechseck- Waben-Muster besitzen sie Durchmesser von einem bis zu mehreren hundert Mikrometer und Längen bis zu wenigen Mikrometern. Neben Diamant, Graphit und den fußballförmigen Fullerenmolekülen sind diese Nanotubes die vierte geordnete Modifikation des Kohlenstoffs. Die zuerst entdeckten Kohlenstoffröhren bestanden aus mehreren ineinander geschachtelten, mehrwandigen Röhren (multiwalled carbon nanotubes MWCNTs, Abb. 1a). Inzwischen gelang auch die Herstellung einwandiger Kohlenstoffröhren (singlewalled carbon nanotubes, SWCNTs). Je nachdem, wie das Graphitgitter aufgerollt ist, entstehen „arm chair“-Formen (Abb. 1b), helikale (Abb. 1c) und „Zickzack“-Formen (Abb. 1d). Bei den helikalen Röhren unterscheidet man links- und rechtsgedrehte Formen, die sich wie Bild und Spiegelbild unterscheiden. Einwandige Kohlenstoffnanoröhren aggregieren bevorzugt zu parallel ausgerichteten Bündeln (Abb. 1e). Abb. 2: a) Zickzack-Röhre (metallisch) und b) helikale spiralige SWCNT (Halbleiter). Die rot und grün verstärkten Bindungen bzw. Pfeile markieren die Aufrollrichtung des Kohlenstoffgitters. 12 uni.kurier.magzin 105/juni 2004 Hundertmal stärker als Stahl Die entscheidende Bedeutung für zukünftige Technologien erlangen die Nanotubes durch ihre einmaligen mechanischen, physikalischen, chemischen und elektronischen Eigenschaften. Nanotubes haben einen Elastizitätsmodul in der Größenordnung von Terapascal (10 12 Pa), ihre Zugfestigkeit ist damit hundertmal so groß wie die von hochfestem Stahl – und das bei nur einem Sechstel von dessen Gewicht. Die mechanische Festigkeit in Verbindung mit der geringen Dichte machen die winzigen Röhren zu idealen Komponenten für Verbundwerkstoffe. Je nachdem, wie sie aufgerollt sind, haben Nanotubes halbleitende oder metallischleitende elektronische Eigenschaften (Abb. 2). Wegen ihrer elektronischen Eigenschaften lassen sich aus Kohlenstoffnanoröhren aktive elektronische Bauelemente mit Abmessungen im nm-Bereich aufbauen. Einfache elektronische Bauelemente wie Dioden, Feldeffekttransistoren und insbesondere Feldemissionsdisplays wurden bereits realisiert und zu Schaltkreisen kombiniert.
Mäntel für Nanoröhren Solch ein röhrenförmiges Kohlenstoffmolekül ist ähnlich wie Diamant und Graphit weder in Wasser, noch in einem organischen Lösungsmittel löslich. Das erschwert eine spätere Verarbeitung und Prozessierung. Mit der Verbesserung der Löslichkeit und der Verarbeitbarkeit von CNTs befasst sich die Arbeitsgruppe von Prof. Andreas Hirsch vom Institut für Organische Chemie. Ziel ist es, die Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren gezielt so zu steuern, dass aus ihnen Materialien mit den gewünschten Charakteristika entwickelt werden können. Dazu wird die Oberfläche der Nanotubes durch chemische oder physikalische An- nicht-kovalente Funktionalisierung bringung funktioneller Gruppen modifiziert (Abb. 3). Die Röhren bekommen quasi einen „Mantel“ übergezogen, der sie mit einer erhöhten Affinität zum Lösemittel umgibt. Verbesserte Lösungseigenschaften verändern die mechanischen, physikalischen und elektronischen Eigenschaften der Tubes und ermöglichen ein „Finetuning“ ihrer Eigenschaftsprofile auf bestimmte Anwendungen hin und die Entwicklung jeweils neuer Materialien. Definiert funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren sind benetzbar und lassen sich besser in Komposit-Materialien und Filme einarbeiten. In Zusammenarbeit der Arbeitskreise von Prof. Andreas Hirsch und Prof. Lothar Ley wird im Elektronen- Faszination Technik Abb. 3: Verschiedene Arten der Funktionalisierung von SWCNTs: nichtkovalente Funktionalisierung mit Polymeren, Defektgruppen Funktionalisierung, nicht-kovalente Funktionalisierung unter Ausnutzung der π-Stapelwirkung, mikorskop geprüft, Institut für Technische Physik der Universität Erlangen-Nürnberg, wird im Elektronenmikroskop geprüft, wo sich die funktionalisierenden Moleküle auf der Oberfläche der Röhren befinden; mittels Röntgenstrahlen lässt sich die Oberfläche der Tubes abtasten und die Zusammensetzung qualitativ analysieren. Arbeitskreise in drei Disziplinen In den letzten Jahren etablierten sich einige Arbeitskreise der Chemie, Physik und Materialwissenschaften zur Untersuchung von Eigenschaften, Bearbeitung und Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren an der Universität Erlangen- SWCNT endohedrale Funktionalisierung Nürnberg. Am Institut für Organische Chemie arbeitet das Team von Prof. Andreas Hirsch u.a. an der chemischen Funktionalisierung von CNTs. Die Forschergruppe um Prof. Lothar Ley, Technische Physik II, befasst sich mit den physikalischen Eigenschaften und der Charakterisierung der modifizierten Röhren. Eine der Forschungsprioritäten des Arbeitskreises Prof. Dirk Guldi, Institut für Physikalische Chemie (Nachfolge Prof. Siegfried Schneider), liegt im Einsatz von Kohlenstoffröhren als Komponenten in optoelektronischen Elementen. Die Arbeiten sind in nationale und internationale Forschungsnetze eingebettet. Die Europäische Gemeinschaft förderte 2000 bis 2003 die Zusammenarbeit 14 uni.kurier.magzin 105/juni 2004 der Organischen Chemie mit acht weiteren europäischen Forschungsinstitutionen im RTN-Netzwerk FUNCARS. Zum Teil fließen Forschungsbeiträge aus Erlangen in andere EU-Netzwerke und in den Erlanger DFG-Sonderforschungsbereich 583 ein. Seit 2003 sind Organische Chemie und Technische Physik unter der Koordination des Lehrstuhls für Werkstoffwissenschaften (Prof. Robert F. Singer) Projektpartner im von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Forschungsverbund FORCARBON. In diesen Verbund sind auch die Siemens AG Erlangen, die FutureCarbon Bayreuth und Infineon Technologies München als kompetente Industriepartner eingebunden. Defektgruppen-Funktionalisierung Seitenwand-Funktionalisierung kovalente Seitenwand-Funktionalisierung, endohedrale Funktionalisierung mit C60-Fulleren unter Ausbildung der „Erbsenschoten“-Verbindung C60@SWCNT. Prof. Dr. Andreas Hirsch ist seit 1996 Inhaber des Lehrstuhls II am Institut für Organische Chemie der Universität Erlangen-Nürnberg. Dr. Otto Vostrowsky ist als Akademischer Oberrat an diesem Lehrstuhl tätig und befasst sich unter anderem mit der chemischen Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren. Prof. Dr. Lothar Ley ist seit 1989 Inhaber des Lehrstuhl für Experimentalphysik am Institut für Technische Physik der Universität Erlangen-Nürnberg. Dr. Ralf Graupner erforscht als wissenschaftlicher Assistent an diesem Lehrstuhl die elektronische Struktur der Nanoröhren.
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Seite 19: Faszination Technik Abb. 2: Qualit

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