Supergummi aus Nanoröhren

Japanische Forscher haben ein viskoelastisches Material für Temperaturen zwischen -196 °C und 1000 °C hergestellt.

Kohlenstoffnanoröhren haben ungewöhnliche physikalische Eigenschaften. Ihre extrem hohe elektrische Leitfähigkeit und enorme Zugfestigkeit machen sie für die Nanoelektronik und für die Materialwissenschaften interessant. Jetzt haben japanische Forscher vom Nanotube Research Center in Tskuba ein viskoelastisches Material aus ungeordnet vernetzten Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, dessen Eigenschaften denen von Silikongummi ähneln – mit einem entscheidenden Unterschied: es behält seine Viskoelastizität über einen viel größeren Temperaturbereich.

Abb.: Wenn das Nanoröhrengummi gedehnt wird, richten sich die zuvor ungeordneten Röhren einheitlich aus, wie die elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen. (Bild: Ming Xu et al., Science)

Viskoelastische Materialien können sich unter Krafteinwirkung elastisch deformieren wie Gummi und dabei Energie dissipieren wie eine zähe Flüssigkeit. So verformen sich Ohrstöpsel aus Polymerschaum, wenn man sie zusammendrückt, und kehren in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn man der Druck aufhört. Gummis behalten ihre Viskoelastizität nur in einem engen Temperaturbereich, der sich im Fall der Silikongummis immerhin von -55 °C bis 300 °C erstreckt. Ist die Temperatur zu tief, so wird das Gummi hart und spröde, ist sie zu hoch, so zersetzt es sich. Das Gummi aus Kohlenstoffnanoröhren, das Kenji Hata und seine Kollegen entwickelt haben, ist hingegen von -196 °C bis 1000 °C viskoelastisch.

Um dieses ungewöhnliche Material herzustellen, haben die Forscher auf einer mit Eisennanoteilchen gesputterten Siliziumoberfläche durch Gasphasenabscheidung Kohlenstoffnanoröhren wachsen lassen. Der von einer Ethylenquelle gelieferte Kohlenstoff lagerte sich unter den katalytischen Eisenpartikeln so an, dass die Nanoröhren in die Höhe wuchsen. Es entstand ein Wald von ca. 4,5 mm langen ein-, zwei- oder dreilagigen Röhren, die vielen Stellen aneinander hafteten.

Die Forscher komprimierten das komplexe Röhrennetz auf die vierfache Dichte, die schließlich bei 0,036 g/cm³ lag. Dann nahmen sie das Spannungsdehnungskurve des Nanoröhrengummis bei Zimmertemperatur auf und verglichen sie mit der von Silikongummi. Es zeigte sich, dass das Nanoröhrengummi eine ähnliche Steifigkeit hatte wie das Silikongummi, jedoch bei der Deformation mehr Energie dissipierte und Schwingungen stärker dämpfte als dieses.

Dann ließen die Forscher bei unterschiedlichen Temperaturen eine 3 mm große Stahlkugel aus 40 mm Höhe auf die Oberfläche des Nanoröhrengummis fallen. Sie maßen sowohl den Abdruck, den die Kugel hinterließ, als auch die Höhe, auf die sie wieder zurückschnellte. Daraus ergab sich, dass das Nanoröhrengummi sowohl in flüssigem Stickstoff (-196 °C) als auch in der Hitze einer Butanflamme (1000 °C) seine viskoelastischen Eigenschaften behielt. Zwischen -140 °C und 600 °C waren diese Eigenschaften nahezu temperaturunabhängig. Selbst nach einer Million Be- und Entlastungen zeigte die Elastizität des Materials keine Ermüdungserscheinungen.

Diese Elastizität lässt sich darauf zurückführen, dass die ungeordneten Nanoröhren durch Zug ausgerichtet werden, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen. Die Energiedissipation kommt vermutlich dadurch zustande, dass benachbarte Röhren an ihren Berührungsstellen, wo sie aufgrund der van der Waals-Kraft aneinander haften, unter Energieaufwand auseinander gerissen werden. Wenn die Röhren bei nachlassender Spannung wieder zusammenkommen, geht ein Teil der freiwerdenden Energie als Wärme verloren.

Die Kohlenstoffbindungen in den Nanoröhren können zwar Temperaturen von mehr als 1500 °C aushalten, doch sehr enge Röhren brennen schon bei etwa 400 °C. Um die Viskoelastizität des Nanoröhrengummis auch bei höheren Temperaturen nutzen zu können, müsste man es deshalb in ein Vakuum oder eine Schutzgasatmosphäre bringen.

RAINER SCHARF

Weitere Literatur:

• Yury Gogotsi: High-Temperature Rubber Made from Carbon Nanotubes. Science 330, 1332 (2010)
  dx.doi.org/10.1126/science.1198982

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