Anwendungen für neuartige Kohlenstoffpartikel

(Fullerene, Graphen, Graphan)


Studienarbeit, 2010

56 Seiten, Note: 1,4


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Fraunhofer-Gesellschaft
1.2 Aufgabenstellung

2. Kohlenstoff und seine Allotrope
2.1 Grundlage der verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs
2.2 Acetylen (sp- Hybridisierung)
2.3 Graphit (sp²- Hybridisierung)
2.4 Diamant (sp³- Hybridisierung)

3. Neuartig Kohlenstoffpartikel
3.1 Fulleren
3.1.1 Aufbau
3.1.2 Herstellung von Fullerenen
3.1.3 Verwendungsmöglichkeiten von Fullerenen
3.1.3.1 Einsatz als Radikalfänger in Anti-Aging Produkten
3.1.3.2 Einsatz als Ausgangsstoff zur künstlichen Diamantherstellung
3.1.3.3 Einsatz als Schmiermittel
3.1.3.4 Einsatz zur Synthese von Molekülformen in der Medizin
3.1.3.5 Einsatz zur Herstellung von organischen Solarzellen
3.1.3.6 Einsatz in der Elektroindustrie als Supraleiter
3.1.3.7 Einsatz als Füllstoff für Polymere und als Verbundsstoff
3.1.4 Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit
3.2 Graphen
3.2.1 Aufbau von Graphen
3.2.2 Herstellung von Graphen
3.2.2.1 Mechanische Herstellung von Graphen
3.2.2.2 Herstellung von Graphen durch epitaktisches Wachstum
3.2.2.3 Herstellung von Graphen durch chemische Exfoliation
3.2.3 Verwendungsmöglichkeiten von Graphen
3.2.3.1 Einsatz als Halbleiter in Transistoren
3.2.3.2 Einsatz von Graphen in der Sensorelektronik
3.2.3.3 Einsatz als Verbundwerkstoff
3.2.4 Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit
3.3 Graphan
3.3.1 Aufbau von Graphan
3.3.2 Herstellung von Graphan
3.3.3 Einsatz von Graphan
3.3.3.1 Einsatz als elektrischer Leiter und Halbleiter
3.3.3.2 Einsatz als Wasserstoffspeicher in Brennstoffzelle
3.3.4 Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit

4. Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Joseph von Fraunhofer (circa 1822)

Abbildung 2: s-Orbital

Abbildung 3: m=1

Abbildung 4: m=-1

Abbildung 5: m=0

Abbildung 6: sp- Hybridisierung

Abbildung 7: sp²- Hybridisierung

Abbildung 8: Schichtstruktur des Graphits

Abbildung 9: sp³- Hybridisierung

Abbildung 10: Diamantstruktur

Abbildung 11: C60 Buckminsterfulleren

Abbildung 12: Verschieden Bindungen im C60 Molekül

Abbildung 13: Das Lichtbogenverfahren

Abbildung 14: Ursachen für die Zunahme von freien Radikalen

Abbildung 15: Anlagerung C60 Derivat an HIV-Molekül

Abbildung 16: Energiebereitstellung durch Solarenergie

Abbildung 17: Schematischer Aufbau einer anorganischen Solarzelle

Abbildung 18: Aufbau und Funktionsprinzip einer organischen Solarzelle

Abbildung 19: Die sp2 - Hybridisierung von Graphen

Abbildung 20: Aufbau Graphenschicht

Abbildung 21: Aufbau npn- Transistor

Abbildung 22: Graphenschicht mit adsorbiertem Gasmolekül

Abbildung 23: Aufbau von Graphan

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Fraunhofer-Gesellschaft

Die Fraunhofer Gesellschaft wurde 1949 als gemeinnütziger Verein gegründet. Ihr Name geht auf den Wissenschaftler, Forscher und Unternehmer Joseph von Fraunhofer (1787-1826) zurück. Dessen außergewöhnliche Leistung bestand in der Verbindung von exakter wissenschaftlicher Arbeit und deren praktische Umsetzung in neue innovative Produkte. Seine Idee war es, einen gemeinnützigen Verein zur Förderung der angewandten Forschung zu gründen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Joseph von Fraunhofer (circa 1822)

Das zentrale Unternehmensziel der Fraunhofer-Gesellschaft ist die Forschung für die Praxis.1 Sie betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen von Unternehmen und der Gesellschaft. Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt gegenwärtig rund 80 For- schungseinrichtungen, davon 58 Institute, an über 40 Standorten in ganz Deutschland.2 Mit weiteren Niederlassungen in Europa, den USA und in Asien wird die Verbindung zu den wichtigsten Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen sichergestellt. Den rund 12.500 Mitarbeitern steht für Ihre Arbeit ein Forschungsvolumen von etwa 1,2 Milliarden Euro zur Verfügung. Davon fallen über eine Milliarde Euro in den Bereich Vertragsforschung der sich zu 2/3 durch Forschungsaufträge aus der Industrie und der Öffentlichkeit finan- ziert. Der Bund und die Länder steuern den Instituten die restliche Summe bei, damit diese zukünftige Probleme für Gesellschaft und Umwelt erforschen und lösen können. Diese Studienarbeit setzt sich thematisch mit einem Aufgabengebiet der Abteilung „Pro- zessengineering funktionaler Materialien“ des Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart-Vaihingen auseinander. Diese Abteilung agiert im Be- reich der Verfahrenstechnik von neuen Materialien und gestaltet produktionstechnische Lösungen für Materialinnovationen. Durch die enge Zusammenarbeit von Kunden und internationalen Fachexperten, in Form von Entwicklungspartnerschaften, wird hier an allen prozess- und marktrelevanten Aspekten entlang der Wertschöpfungskette von Produkten geforscht. Ein wesentliches Ziel hierbei ist die signifikante Verkürzung von Entwicklungszeiten.

Eine Grundlage zu diesem Zweck bildet die Auswahl von Materialien, welche für die ein- zelnen, im Fokus stehenden Produkte verwendet werden können. Potentielle Werkstoffe müssen dabei auf ihre jeweiligen Eigenschaften hin untersucht werden. Die wirtschaftli- che Betrachtung bildet neben der Eignung der Materialien ein wesentliches Entschei- dungskriterium für deren potentiellen Einsatz. Darüber hinaus müssen industrielle Ferti- gungsverfahren für die Verarbeitung der ausgewählten Materialen auf deren Eignung zur Serienproduktion durchleuchtet werden. Die schnell zunehmende Kompetenz bei der Herstellung und Verarbeitung von Werkstoffen mit Abmessungen im Nanometerbe- reich führt zu einem sprunghaften Anstieg von zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten. Zu den derzeit attraktiven Werkstoffen gehören unter anderem neuartige Kohlenstoffpar- tikel wie Fullerene, Graphen und dessen Abwandlung Graphan. Aufgrund der experi- mentell entdeckten herausragenden Eigenschaften dieser Materialen ist deren Analyse bezogen auf industrielle Verwendungsmöglichkeiten höchst interessant. Die Studienar- beit beleuchtet, basierend auf dem Aufbau und den Eigenschaften der neuartiger Koh- lenstoffpartikeln, deren mögliche Anwendungsfelder. Im Fokus stehen neben den aktuel- len Forschungsergebnissen bezüglich der verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten auch die Verfügbarkeit und die Reproduzierbarkeit dieser Materialien.

1.2 Aufgabenstellung

Bei den Kohlenstoffpartikeln Graphen, Graphan und Fulleren handelt es sich um relativ neue Materialien. Aufgrund ihrer zum Teil herausragenden Werkstoffeigenschaften wer- den mögliche Einsatzfelder zurzeit aufmerksam untersucht und erforscht. Es existieren vor allem in der Sportartikelindustrie bereits Produkte, bei denen Kohlenstoffpartikel als Legierungszusätze verwendet werden. Dort führt ihre Einsatz zu einer Verbesserung von Materialeigenschaften wie beispielsweise einer hohen Elastizität bei einer gleichzei- tigen Gewichtsreduzierung.

Darüber hinaus bestehen bereits mehrere verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für Kohlenstoffpartikel in der Industrie. Allerdings haben diese bisher meist Prototypencha- rakter und stehen von einem Übergang in die Serienproduktion noch relativ weit entfernt. Für eine Herstellung von Serienprodukten mangelt es in vielen Fällen noch an geeignete Verarbeitungsverfahren, teilweise bedingt durch die geringe Teilchengröße der Aus- gangsmaterialen.

Der Anspruch dieser Studienarbeit ist es, Verwendungsmöglichkeiten für diese neuarti- gen Kohlenstoffpartikel zusammenzutragen und zu bewerten. Um die Eigenschaften der Kohlenstoffpartikel genauer beschreiben zu können müssen zuerst die grundlegenden Werkstoffeigenschaften und der atomare Aufbau der Kohlenstoffpartikel und ihres Aus- gangsstoffes, Kohlenstoff, genauer noch Graphit, erarbeitet werden. Danach sollen die Herstellungsverfahren für diese Stoffe und deren mittelfriste Verfügbarkeit beleuchtet werden. Basierend auf den dadurch erarbeiteten Ergebnissen sollen die jeweils reali- sierbaren Anwendungen der Kohlenstoffpartikel näher untersucht werden. Abschließend gilt es, Prognosen für die Übertragbarkeit der bisher experimentell erforschten Verwen- dungsmöglichkeiten in die Serienproduktion aufzustellen und diese auf fachlicher Ebene zu begründen. Mit einem abschließenden Ausblick über das Potential von Kohlenstoff- partikel als Universalwerkstoffe und einer Abschätzung über zukünftige Entwicklungen auf diesem Stoffgebiet soll diese Studienarbeit ihren Abschluss finden.

2. Kohlenstoff und seine Allotrope

Seit nunmehr 6000 Jahren dient Kohlenstoff zur Reduktion von Metallerzen. Zuerst wur- de es in Form von Holzkohle zur Gewinnung von Blei und Kupfer und später in Form von Steinkohle zur Gewinnung von Bronze und Eisen verwendet.3 Weltweit wurden im Jahr 2007 rund 5293 Mio. Tonnen Steinkohle und 891 Mio. Tonnen Braunkohle geför- dert.4 Durch die zu Beginn des 18. Jahrhunderts erfundene Verkokung von Kohle zu Koks wurde die Eisenproduktion in Hochöfen ermöglicht. Die Jahresproduktion dieses Hüttenkoks liegt im 100 Mio. Tonnen Bereich, da für den Betrieb von Hochöfen und zu Feuerungszwecken sehr große Mengen dieses Stoffes benötigt werden.5

Obwohl Kohle und demzufolge indirekt Kohlenstoff einer der am längsten und vor allen Dingen auch der am intensivsten genutzte Naturstoff ist, fand eine tiefergehende Unter- suchung dieses Stoffes erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts statt. Ausgehend von dieser Zeit wurden die unterschiedlichen Modifikationen und die daraus resultierenden, stark voneinander abweichenden Eigenschaften von Kohlenstoff entdeckt, analysiert und erforscht. Dabei stellte sich heraus, dass Kohlenstoff dank seiner besonderen Elekt- ronenkonfiguration die Fähigkeit zur Bildung von teilweise hochkomplexen Molekülen besitzt. Damit ist Kohlenstoff das vielseitigste aller chemischen Elemente. Diese Vielfalt zeigt sich selbst in der elementaren Form des Kohlenstoffs in der drei verschiedene Allo- trope koexistieren. Unter Allotropie versteht man die Erscheinung, dass ein chemisches Element in mindestens zwei oder mehreren Strukturformen im selben Aggregatzustand auftritt.6 Diese Strukturformen weisen dabei meistens beachtliche Unterschiede in ihrem chemischen und physikalischen Reaktionsvermögen auf. Das nachfolgende Kapitel 2.1 behandelt die bereits erwähnte Elektronenkonfiguration, welche die Ursache für das Auf- treten von verschiedenen Strukturformen eines Elements im selben Aggregatzustand ist. Unter der Elektronenkonfiguration versteht man die Verteilung der Elektronen in den Orbitalen. Die Orbitale beschreiben dabei den Raum, in dem sich ein Elektron mit 90 prozentiger Wahrscheinlichkeit aufhält.

2.1 Grundlage der verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs

Um die Elektronenkonfiguration und dadurch auch die verschiedenen Erscheinungsfor- men von Kohlenstoff zu verstehen, muss das moderne quantenmechanische Atommo- dell herangezogen werden. Dieses löste Mitte des 20. Jahrhunderts das bisher verwen- dete bohrsche Modell7 ab, nach dessen Vorstellung die Elektronen eines Atoms festste- hende Bahnen mit einem genau bestimmbaren Radius verfolgen. In diesem Elektronen- schalenmodell war eine exakte Ortsangabe des jeweiligen Elektrons möglich.

Mithilfe der bahnbrechenden Forschungsergebnisse der Physiker Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Wolfgang Pauli auf dem relativ jungen Gebiet der Quantenphysik wurde gezeigt, dass Elektronen nicht durch klassisch physikalische Bahnkurven be- schrieben werden können.8 Den Grundstein hierfür legte im Jahr 1924 der französischen Physiker Louis de Broglie9 mit seiner Erkenntnis, dass Elektronen einen Wellencharakter haben. Werner Heisenberg entdeckte mit seiner Unbestimmtheitsrelation, dass sie sich nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in einem abgegrenzten Raum aufhalten. Diese Wahrscheinlichkeit kann durch aufwändige mathematische Verfahren berechnet werden.

Ein grundlegendes neues Modell, welches Elektronen im Atom als stehende, dreidimen- sionale Wellen betrachtet wurde im Anschluss von Erwin Schrödinger10 aufgestellt. Schrödinger stellte darüber hinaus eine Differentialgleichung auf, welche den Zusam- menhang zwischen den Schwingungen des Elektrons im atomaren Raum, der Wellen- funktion (ψ) und seiner Energie (E) deutlich macht.11 Dadurch konnte eine Aussage da- rüber gemacht werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit das jeweils betrachtete Elektron in einem abgegrenzten Raumelement der Elektronenhülle zu finden ist.12

Die Wellenfunktion eines Elektrons in Verbindung mit der zugehörigen Raumkoordinate wird auch Orbitale genannt.13 Über die winkelabhängige Darstellung der Wellenfunktion ist die Gestalt des Raumes zu entnehmen, in dem sich das Elektron aufhält.14 Sie be- schreibt die Geometrie der Orbitalen und ihre Ausrichtung im Raum. Die Gestalt eines Orbitals wird dabei von der Nebenquantenzahl l bestimmt. s- Orbitale (l=0) sind kugel- förmig, p- Orbitale (l=1) sind hantelförmig. Die folgende Grafik zeigt ein s- Orbital mit Koordinatenachsen.15

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: s-Orbital

Zur Bestimmung der Ausrichtung eines p- Orbitals im Raum benötigt man die Magnet- quantenzahl m. Bei s- Orbitalen ist die Nebenquantenzahl und diese Magnetquanten- zahl immer Null, somit existiert nur eine Ausrichtungsmöglichkeit, welche in Abbildung 2 dargestellt ist. Beim p- Orbital benötigt man jedoch die Quantenzahlen m=-1, m=0 und m=1 um die exakte Ausrichtung der Orbitale im Raum zu bestimmten. Diese verschiedenen Ausrichtungen werden in Abbildung 3,4 und 5 gezeigt.16

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: m=-1 Abbildung 5: m=0 Abbildung 3: m=1

Die Quantenzahlen bestimmen darüber hinaus auch die Energie der Orbitale. In erster Linie hängt die Energie vom Abstand der negativen Elektronen zum positiv geladenen Atomkern ab. Dies wird durch die Hauptquantenzahl n ausgedrückt. Die meisten Atome besitzen mehr als ein Elektron und sind daher Mehrelektronensysteme. Die Verteilung der einzelnen Elektronen in den Orbitalen wird als Elektronenkonfiguration bezeichnet und hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Modifikation des Kohlenstoffs.17 Elektronen werden dabei immer so auf die Atomorbitale verteilt, dass sie einen energetisch stabilen Zustand minimaler Energie erreichen. Das Aufbauprinzip von Atome wurde im Wesentlichen von den Physikern Hund18 und Pauli19 erforscht und definiert. Es ist aber aufgrund seiner Komplexität kein Gegenstand dieser Studienarbeit.

Die verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs beruhen meist auf dem Vorgang der Hybridisierung. Dieser Vorgang führt zu einer Vermischung von den bisherigen Orbitalen, s- und p- Orbitale werden dadurch zu neuen Hybridorbitalen addiert. Die Hybridorbitale zeichnen sich vor allem durch ihre veränderte Geometrie aus. Die Grundlage für die Hybridisierung bilden einzelne Elektronen, die energetisch angeregt werden. Dadurch können sie ihr bisheriges Orbital verlassen, beispielsweise das s- Orbital und anschließend in das nächsthöhere leere p- Orbital wandern.

Im Folgenden werden mit Graphit und Diamant zwei bedeutende Modifikationen des Kohlenstoffs vorgestellt und auch ihre Hybridisierung näher betrachtet. Darüber hinaus wird mit dem gasförmigen Molekül Acetylen noch eine weitere mögliche Hybridisierung des Kohlenstoffs betrachtet, die jedoch keine reine Modifikation des Kohlenstoffs ist, da es sich bei ihr um ein Molekül handelt.

2.2 Acetylen (sp- Hybridisierung)

Acetylen (Ethin) ist ein farbloses Gas mit der Summenformel C2H2. Es ist hochreaktiv und instabil und wird größtenteils für die organische Synthese verwendet.20 Darüber hinaus wird es auch als Dissousgas beim autogenen Schweißen und Schneiden ver- wendet. Ethin wird für gewöhnlich mithilfe des Carbid Verfahren hergestellt. Dabei wer- den Calciumoxid und Kohle im Lichtbogen eines elektrischen Ofens bei 2200°C zur Re- aktion gebracht.21 Das Reaktionsprodukt Calciumcarbid zersetzt sich im Wasser zu Ace- tylen und Calciumhydroxid.

Wie bereits erwähnt handelt es sich bei Acetylen um ein Molekül, welches aus zwei Kohlenstoffatomen und zwei Wasserstoffatomen aufgebaut ist. Mithilfe der Informatio- nen aus Kapitel 2.1 über Orbitale und die Hybridisierung von Kohlenstoffatomen lässt sich das Bindungsverhältnis im Ethin erklären. Es werden hier jeweils ein 2s- und ein 2p- Orbital zu zwei sp- Hybridorbitalen gemischt.22 Jedes Hybridorbital wird dabei von zwei Elektronen besetzt. Bei diesen Elektronen handelt es sich um Valenzelektronen, also Außenelektronen, welche die physikalischen Eigenschaften von Ethin maßgeblich be- stimmen. Die beiden restlichen Elektronen halten sich in unmittelbarer Nähe zum Atom- kern auf und haben daher auf das Bindungsverhalten des Stoffes keinerlei Auswirkun- gen. Den schraffierten Orbitalen in Abbildung 6 entsprechen schwache, den unschraffierten Orbitalen entsprechen starke Bindungen.23 Die Bindungswinkel zwi- schen den beiden Hybridorbitalen betragen 180°. Durch die sp- Hybridisierung und den dazugehörigen Strukturmerkmalen bilden die C- Atome bei Ethin lineare Ketten.24

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: sp- Hybridisierung

2.3 Graphit (sp²- Hybridisierung)

Graphit ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral von dem jährlich circa 600.000 Ton- nen abgebaut werden.25 Ein weitaus größerer Teil des industriell verwendeten Graphits wird künstlich durch die Verkokung kohlenstoffhaltiger Materialen, wie beispielsweise Erdöl oder Steinkohle, hergestellt. Neben dem Einsatz als Bleistiftmine wird Graphit vor allem als Schmiermittel für Lager und Dichtungen und als Kohlebürste in elektrischen Motoren verwendet. Darüber hinaus wird es aufgrund seiner Festigkeit und seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit vielen Werkstoffen als Legierungselement beigemischt.

Bei Graphit vermischen sich zwei px- Orbitale und zwei py- Orbitale des Kohlenstoffs mit einem s- Orbital. Auf diese Weise entstehen drei Orbitale, die ein gleichseitiges Dreieck in einer Ebene bilden. Die Bindungswinkel zwischen den einzelnen Orbitalen betragen demzufolge jeweils 120°. Jedes Kohlenstoffatom des Graphits benutzt die drei Valenzelektronen in den Orbitalen, um seine Bindung zu den Nachbaratomen auszubilden.26 Abbildung 7 zeigt die sp²- Hybridisierung des Graphitatoms.27

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: sp²- Hybridisierung Abbildung 8: Schichtstruktur des Graphits

Anhand dieser Abbildung lässt sich die planare Struktur des Graphits erklären.28 Abbildung 8 zeigt mehrere Basaltebenen des Graphens (siehe Kapitel 3.2) übereinander gestapelt.29 Aufgrund der geringen Bindungsenergie zwischen den einzelnen Ebenen lässt sich Graphit entlang der Basaltebene sehr leicht spalten. Da das vierte Valenzelektron nicht hybridisiert ist, kann es sich frei in der gesamten Schicht bewegen. Dies resultiert in einer hohen elektrischen Leitfähigkeit in der Ebene. (s. Kap. 3.1)

2.4 Diamant (sp³- Hybridisierung)

Diamant ist neben Graphit, Fullerenen und dem äußerst seltenen diamantähnlichen Lonsdaleit eine der vier Modifikationen des Kohlenstoffs. Diamant weist eine ganze Rei- he von Eigenschaften auf, die von keinem anderen natürlich vorkommenden Material erreicht werden.30 Zu diesen gehören unter anderem seine auffällig große Härte, die hohe Verschleißfestigkeit und auch die hohe Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit sei- nen sehr guten elektrischen Isoliereigenschaften.31 Geschliffene Diamanten finden vor allem in der Schmuckindustrie als Brillanten ihre Verwendung.32 Aufgrund seiner hohen Härte werden Diamanten in der Industrie meist als Beschichtungswerkstoffe für Schleif- scheiben und Bohrköpfe verwendet.33

Der Diamant verdankt seine außergewöhnlichen Eigenschaften den sp³- hybridisierten Kohlenstoffatomen. An der Verbindung zu diesem Hybridorbital ist ein Elektron des 2s- Orbitals und drei Elektronen des 2p- Orbitals beteiligt. Die nachfolgende Abbildung 9 zeigt die Hybridsierung des Diamanten.34

Abbildung 9: sp³- Hybridisierung Abbildung 10: Diamantstruktur

Durch die sp³- Hybridisierung ist jedes Atom tetraedrisch von vier weiteren Atomen umgeben. Die von einem Kohlenstoffatom ausgehenden Bindungen sind jeweils gleich lang und haben alle dieselbe Bindungsenergie. Daraus resultiert ein sehr regelmäßiges, dreidimensionales stabiles Atomgitter mit einer außerordentlichen Härte.35 Abbildung 10 zeigt das Atomgitter eines Diamanten.36

3. Neuartig Kohlenstoffpartikel

Im Fokus der vorliegenden Studienarbeit liegen die Beschreibung und die Prognose von Einsatzmöglichkeiten der Kohlenstoffpartikel Fulleren, Graphen und Graphan. Diese Partikel werden jeweils in einem separaten Unterkapitel abgehandelt. Grundsätzlich wird zuerst der Aufbau des Stoffes beschrieben, anschließend werden die jeweiligen Herstellungs- und Verwendungsmöglichkeiten näher betrachtet. Zu jeder Anwendungsmöglichkeit wird in einem zweiten Schritt eine Prognose über die mittelfristige Realisierbarkeit der Verwendungsmöglichkeit aufgestellt.

Die betrachteten Kohlenstoffpartikel haben alle gemeinsam, dass sie sehr eng mit der bereits beschriebenen Kohlenstoffmodifikation Graphit verwandt sind.37 Vielfach wird Graphit deshalb als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Partikel herangezogen. In Kapitel 3.1 werden die nach dem Architekten R. B. Fuller38 benannten kugelförmigen Fullerene beschrieben. Bei diesem Kohlenstoffpartikel handelt es sich im Übrigen um eine weitere Modifikation des Kohlenstoffs. Kapitel 3.2 behandelt den zweidimensiona- len Kohlenstoffkristall Graphen. Werden mehrere Schichten aus Graphen übereinander gestapelt entsteht daraus das dreidimensionale Graphit. Bei Graphen handelt es sich um den Kohlenstoffpartikel mit dem höchsten Potential an theoretischen Anwendungs- möglichkeiten. Wegen seiner herausragenden elektrischen Leitfähigkeit wird seit seiner Entdeckung sehr intensiv an ihm geforscht. Kapitel 3.3 ist einer Abwandlung des Graphens gewidmet, dem Graphan. Hierfür wurden Wasserstoffatome in die zweidi- mensionale Struktur des Graphens eingebaut. Durch diese Hydrogenierung entstand ein elektrischer Leiter mit einer Energiebarriere der daher in erster Linie für Anwendungen auf dem Gebiet der Nanoelektrik sehr interessant wurde.39

[...]


1 Vgl. Broschüre „Die Fraunhofer-Gesellschaft im Profil“ (Dez. 2005), S.6

2 Vgl. ebenda

3 Vgl. (Dettmann, 1994), S.19

4 Quelle: Statistik der Kohlenwirtschaft e.V.

5 Vgl. (Krüger, 2007), S.15

6 Vgl. (Mohr, 1868)

7 Niels Bohr (1885-1962) erhielt für dieses Modell 1922 den Nobelpreis der Physik

8 Vgl. (Pfestorf, 2006), S.40

9 Louis de Broglie (1892-1987) erhielt für seine Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Materialwellen 1929 den Nobelpreis der Physik

10 Erwin Schrödinger (1887-1961) erhielt für das Aufstellen der neuartigen Atomtheorie 1933 den No- belpreis der Physik

11 Vgl. (Prof. Dr. Erhard Kemnitz, 2004), S.54

12 Vgl. ebenda

13 Vergleiche hierzu Kapitel 2

14 Vgl. (Prof. Dr. Erhard Kemnitz, 2004), S.56

15 Quelle: Homepage Svenborg Gymnasium, Dänemark

16 Quelle: http://www.paukr.de/kurse/chemie-lk-gymnasium-bayern-1/wiederholung-das-orbitalmodell

17 Vgl. (Prof. Dr. Erhard Kemnitz, 2004), S.58

18 Friedrich Hund (1896-1997)

19 Wolfgang Pauli (1900-1958)

20 Vgl. (Jeromin, 2006), S.202

21 Vgl. Ebenda

22 Vgl. (Jeromin, 2006), S.17

23 Quelle: Fraunhofer Gesellschaft, Harun Erismis, Einführung CNT, S.12

24 Vgl. (Krüger, 2007), S.7

25 Stand 2006 (Webimpressum Michael Schmidt)

26 Vgl. Ebenda

27 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Hybridorbital (2010)

28 Vgl. (Krüger, 2007), S.7

29 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Graphit (2010)

30 Vgl. (Völklein & Zetterer, 2006), S.22

31 Vgl. (Krüger, 2007), S.31

32 Vgl. (Klein, 2007), S.313

33 Vgl. Ebenda

34 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Hybridorbital (März 2010)

35 (Prof. Dr. Erhard Kemnitz, 2004), S.86

36 Quelle: http://www.guidobauersachs.de/anorg/diamant

37 siehe Kapitel 2.3

38 Richard Buckminster Fuller (1895-1983)

39 Artikel „Graphen + Wasserstoff = Graphan“ (Löfken,2009), Pro-Physik.de

Ende der Leseprobe aus 56 Seiten

Details

Titel
Anwendungen für neuartige Kohlenstoffpartikel
Untertitel
(Fullerene, Graphen, Graphan)
Hochschule
Duale Hochschule Baden-Württemberg, Stuttgart, früher: Berufsakademie Stuttgart  (Fraunhofer Institut)
Note
1,4
Autor
Jahr
2010
Seiten
56
Katalognummer
V155802
ISBN (eBook)
9783640698127
ISBN (Buch)
9783640698363
Dateigröße
1548 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Fulleren, Graphen, Graphan, Anwendungen, Verwendung, Fabian Heinzelmann, Fraunhofer Institut, Graphit, Diamant, Buckminsterfulleren, Hybrdisierung, Kohlenstoffnanopartikel, Kohlenstoffnanoröhrchen, Verwendungsmöglichkeiten für neuartige Kohlenstoffpartikel, Verfügbarkeit
Arbeit zitieren
Fabian Heinzelmann (Autor), 2010, Anwendungen für neuartige Kohlenstoffpartikel, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/155802

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