Schäume aus Nanoröhrchen

Schäume aus Nanoröhrchen

Schäume aus Kohlenstoffnanoröhrchen könnten bisherige Dämpfungsmaterialien ersetzen.

Manoa (USA) - Eine gute Dämpfung gegen starke Stöße spielt in vielen Konstruktionen vom Automobil über empfindliche Elektronik bis zum Fundament eines erdbebensicheren Hochhauses eine zentrale Rolle. Luftpolster, Schaumstoffe und sogar metallische Schäume übernehmen bisher diese Aufgabe. Ganze Wiesen aus winzigen Kohlenstoffnanoröhrchen bilden nun das Innere einer Dämpfungsschicht, die sowohl stark komprimierbar als auch sehr widerstandsfähig ist. Diese leistungsfähige Alternative zu bisherigen Schaumwerkstoffen präsentieren amerikanische Physiker im Fachblatt "Science".

"Unsere Nanoröhrchen können bis auf 15 Prozent ihrer normalen Länge gestaucht werden und entfalten sich dann wieder wie Sprungfedern", sagt Anyuan Cao, Materialforscher an der University of Hawaii in Manoa. Zusammen mit der erfahrenen Nanoröhrchen-Gruppe um Pulickel Ajayan vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy entwickelte Cao etwa einen Millimeter dünne Dämpfungsschichten, in denen sich Tausende von mehrwandigen Nanoröhrchen senkrecht nebeneinander anordneten. Die etwa 20 Nanometer dicken Röhrchen nahmen dabei etwa 13 Prozent des Raumes zwischen den glatten Flächen ein, zwischen denen sie aus einer heißen Kohlenstoff-Atmosphäre gezüchtet wurden (CVD-Chemical Vapour Deposition).

Abb.: Unter Drücken von über 15 Megapascal falteten sich die Röhrchen in einem Zick-Zack-Muster eng zusammen ohne dabei zerstört zu werden. (Quelle: Cao/Rensselaer Polytechnic Institute)

Unter Drücken von über 15 Megapascal falteten sich die Röhrchen in einem Zick-Zack-Muster eng zusammen ohne dabei zerstört zu werden (Abb.). Nach mehreren Tausend Pressversuchen erreichten sie allerdings nicht mehr ihre ursprüngliche Ausdehnung, sondern entspannten sich auf eine etwa um 7,5 Prozent reduzierte Länge. Nichtsdestotrotz übersteigt diese Kompressibilität und Druckfestigkeit die von Schäumen aus Kunststoffmaterialien wie Latex oder Polyurethan um ein Vielfaches (15 Mpa statt 30 kPa). Zudem konnten die Nanoröhrchen-Dämpfer sich mit einer Geschwindigkeit von 92 Millimetern pro Minuten deutlich schneller entspannen.

In den Versuchen zeigte sich, dass Nanoröhrchen-Dämpfer in Elastizität und Kompressibilität klassischen Schaumstoffen überlegen sind. Zudem zeigen sie eine große Widerstandsfähigkeit gegenüber Chemikalien und anderen äußeren Einflüssen. Eine Eigenschaft, die sonst den Metallschäumen vorbehalten war. Durch diese einzigartige Kombination rechnen die Forscher mit der Entwicklung von sehr leichten und stabilen Schichten, die Stoßenergien sehr gut auffangen können. Bisher existieren zwar nur einzelne, Millimeter dünne Labormuster, doch prinzipiell sind auch dickere Dämpfungsschichten auf großen Flächen denkbar. Von den Kosten werden diese Dämpfer mit Polymerschäumen allerdings noch nicht konkurrieren können. Doch ihr verhältnismäßig einfaches Herstellungsverfahren könnte sie zu einer Alternative für teure Metallschäume machen. Mit einwandigen Nanoröhrchen könnte nach Aussage der Forscher das Elastizitäts-Verhalten der Röhrchenschichten sogar noch weiter verbessert werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. Cao et al., Super-Compressible Foam-Like Carbon Nanotube Films, Science 310, 1307 (2005).  
• University of Hawaii, Manoa: 
  http://www.uhm.hawaii.edu  
• Department of Mechanical Engineering: 
  http://www.eng.hawaii.edu/ME/  
• Rensselaer Polytechnic Institute, Troy: 
  http://www.rpi.edu  
• Arbeitsgruppe Ajayan:
  http://www.rpi.edu/locker/38/001238/INDEX.HTM

Weitere Literatur:

• L. J. Gibson, M. F. Ashby, Cellular Solids, Structure and Properties (Pergamon, New York, 1997).  
• N. C. Hilyard, A. Cunningham, Low Density Cellular Plastics, Physical Basis of Behavior (Chapman and Hall, London, UK, 1994).  
• D. Klempner, K. C. Frisch, in Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology (Hanser, New York, 1991), chaps. 4, 6, and 9.  
• H. X. Zhu, N. J. Mills, J. F. Knott, J. Mech. Phys. Solids 45, 1875 (1997).  
• M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (Academic, San Diego, 1996).  
• R. H. Baughman, A. A. Zakhidov, W. A. de Heer, Science 297, 787 (2002).