Aufgefädelte Nanodiamanten
Kohlenstoffkäfige polymerisieren in Kohlenstoff-Nanoröhren zu einer linearen Kette.
Im Innenraum von Kohlenstoff-Nanoröhren gezielt ein lineares Polymer aus Bausteinen zu gewinnen, die Nanodiamanten ähneln – das gelang Forschern aus Japan, Deutschland und den USA. Die templatebasierte Polymerisation eignet sich nach Ansicht des Teams ausgezeichnet für die Entwicklung neuer eindimensionaler Nanomaterialien.
Materialien in Nanogrößenordnung wie etwa Nanodrähte haben besondere Eigenschaften und können sich völlig unterschiedlich zum festen Material verhalten. Eindimensionale Nanostrukturen herzustellen, ist aber eine große Herausforderung. Hisanori Shinohara von der Nagoya-Universität in Japan und seine Mitarbeiter haben nun in einer internationalen Kooperation eine Methode entwickelt, wie man Kohlenstoff-Nanoröhren als Reaktionsgefäß und gleichzeitig als Template nutzt, um ein linear-polymeres Nanomaterial herzustellen. Die Röhre muss einen sehr kleinen Innendurchmesser haben, damit die zu polymerisierenden Vorstufen-Moleküle auf natürliche Weise die eindimensionale Ausrichtung der Röhre einnehmen, so die Idee. Größere Durchmesser würden die Polymerisation unkontrolliert machen. Mit dieser Methode gelang es Shinohara und seinen Kollegen nun, lediglich durch Erhitzen auf bestimmte Temperaturen in Gegenwart eines Eisenkatalysators ein lineares Polymer aus nanodiamantenartigen Bausteinen herzustellen. „Diese hier vorgestellte Herstellungsmethode für eine nanodiamantenartige Polymerkette unterscheidet sich grundsätzlich von den gängigen chemischen Ansätzen“, betonen die Forscher.
Als Vorstufe und Polymerbaustein verwenden die Forscher Diamantan, eine Käfigstruktur aus zehn Kohlenstoffatomen. Dieses Molekül wurde auf beiden Seiten bromiert, sodass sich bei Zugabe von Nanopartikeln aus Eisen die Bromatome wieder abspalten und ein Diamantan-Diradikal entsteht. Bei einer normalen chemischen Polymerisation können diese Radikale von den umgebenen Molekülen Wasserstoffatome abspalten und somit die Polymerisation beenden. „Wir waren sehr überrascht, dass die Radikale resistent waren und innerhalb der Kohlenstoff-Nanoröhren nur gegenseitig rekombinierten“, so die Wissenschaftler. „Abhängig vom Innendurchmesser der Kohlenstoffnanoröhren reagieren die eingedrungenen Moleküle entweder zu einer linearen Polymerkette oder zu amorphem Kohlenstoff.“ In den Nanoröhren, die nur einen Nanometer Durchmesser aufwiesen, bildete sich somit ein lineares Polymer aus diamantenartigen Bausteinen.
Als mit Spaghetti gefüllte Makkaroni, so könnte man diese Doppelstruktur auch bezeichnen – und das innere Polymer lässt sich durch Ultraschallbehandlung in Lösung wieder freilegen, wie die Gruppe weiter berichtet. Der große Vorteil der neuen templategesteuerten Methode ist die einfache und spezifische Ausbildung eines eindimensionalen Nanopolymers. Das wird in den Materialwissenschaften auf großes Interesse stoßen.
Wiley-VCH / RK
