Nanotubes. Unter Einbeziehung ihrer Entdeckung und Anwendungsmöglichkeiten

Inhaltsverzeichnis

Vorbetrachtung

Historie

Bildung langkettiger C Moleküle

Beweis des Fussballförmigen C Moleküls

Bildung und Teilung von Fullerenen

Die Nanotubes –
Einführung
Molekulare Bindung
Anwendungen der Fullerene und Nanotubes

Herstellung von Nanotubes –
Nanotubes durch Benetzung von porösen Masken
Herstellung von Nanotubes – Makroporöse Masken aus Silizium
Literatur- und Quellenverzeichnis

Vorbetrachtung

Die Verringerung der Abmessungen von Objekten aus dem Milli- und Mikrobereich hin bis in den Nanometerbereich, also einen weiteren Faktor 1000, eröffnet faszinierende Ansätze für neuartige technische Anwendungen und das in mehreren Dimensionen:

Einerseits können im Rahmen der Miniaturisierung der Bauelemente Kabel in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik durch die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen, sogenannten Nanotubes, ersetzt werden. Andererseits kann durch die Nanotechnologie eine gezielte Verbesserung spezifischer Materialien erreicht werden. So kann der Anstieg der spezifischen Oberfläche von Objekten bei Verringerung der Abmessungen gesteigert werden. Dies ist wichtig in Bereichen der Katalyse und der Filtertechnik. Die Nanotechnologie ist weiter noch beim Auftreten neuartiger Eigenschaften in Materialien von großer Bedeutung. Bei Halbleitern ist die Reduzierung der Abmessungen mit dem Auftreten von Quanteneffekten verbunden, die in Anwendungen der optischen Informationstechnologie als Halbleiterquantenfilme, Quantendrähte oder Quantenpunkte auftreten.

In dieser Studienarbeit möchte speziell auf Nanotubes eingehen und dabei auch deren Ursprung und Entwicklung aufzeigen. Hierbei gehe ich schrittweise vor - von den ersten Experimenten - über die Molekularstrukturen - bis hin zum Verhalten gegenüber anderen Stoffen und Anwendungsbeispielen der Nanotubes.

Mein Ziel ist das enorme wissenschaftliche Potential der Nanotubes durch ihre hohe Festigkeit und der Eigenschaft Bewegungen auszuführen, wodurch sie als hochwirksame Aktoren mit noch nicht da gewesenem Arbeitsvermögen existieren können, zu unterstreichen.

Historie

Die Ursprünge der Nanotubes liegen in den Fullerenen. Ihren Namen haben die Fullerene von Richard Buckminster Fuller (1895-1983). Jener war Wissenschaftler und Tüftler, Architekt, Ingenieur, Philosoph und Dichter zugleich. Er betrieb Geometriestudien und entwickelte das Synergie-Konzept, mit welchem ein System als Ganzes betrachtet werden kann und so weit mehr Informationen geben kann. Jedoch geht die Entdeckung der Fullerene noch viel weiter zurück in die Geschichte. Bereits im antiken Griechenland gab es geometrische Studien, nur sind erste Darstellungen erst aus dem 15. Jahrhundert vorhanden. Als Vorarbeiten gelten der Satz von Leonard Euler und danach die Entdeckung des Benzols im Jahre 1865 durch Friedrich August Kekulé, denn die Grundstruktur der Fullerene ist ähnlich der des Benzols. Zahlreiche Wissenschaftler sagten in den 60er und 70er Jahren die Existenz hoher C-Moleküle voraus. Die Basis hierfür war die Entdeckung schalenförmiger C-Atome durch Barth und Lawton 1971. Man beschrieb zum einen die Existenz von C60-Molekülen in Form dreidimensionaler Aromaten, welche sogar beständig sein sollten und andererseits sagten russischen Wissenschaftler die Existenz von C60H60-Molekülen voraus. Die wichtigsten Fortschritte hin zur Entdeckung der Fullerene geschah durch eine Forschungsgruppe im Jahr 1985. Drei Wissenschaftler, Kroto, Smalley und Curl, untersuchten mittels Experimente die Cluster-Bildung von C-Atomen. Sie fanden heraus, geradzahlige Cluster besitzen eine ungewöhnlich hohe Stabilität sofern diese aus mehr als 32 Atomen bestehen. Um diese Stabilität zu begründen vermutete man, dass das Molekül eine Fussballform haben müsste. Denn somit wäre die hohe Festigkeit zu erklären. Andere Forscher einer Exxon-Forschungsgruppe haben kurz vor den hier genannten Wissenschaftlern im Jahr 1984 ähnliche Entdeckungen gemacht, aber die Stabilität mit linearen C-Ketten erklärt.

Die deutschen Huffmann und Krätzschmer verfolgten das gleiche Ziel 1983 und erreichten ein Verfahren mit dem Fullerene in größeren Mengen hergestellt werden konnten. Das ist besonders wichtig, um Experimente mit sinnvollen Ergebnissen durchzuführen. Im Jahr 1996 erhielten Kroto und Smalley den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung des C60-Moleküls.

Bildung langkettiger C Moleküle

Die Bildung langkettiger sollte durch das im folgenden beschriebene Experiment nachgewiesen werden, welches durch die Nobelpreisträger Kroto und Smalley durchgeführt wurde:

Die Zielstellung bestand darin, im interstellaren Raum den Mechanismus zu simulieren, wie sich langkettige C-Moleküle bilden. Hierzu wurde die Bildung von HCnN aus verdampfenden Kohlenstoff untersucht. Diese Verbindung wurde im Weltraum gefunden und hier im Experiment unter ähnlichen Bedingungen simuliert. Hierzu verdampfte ein leistungsstarker Laser Kohlenstoffatome in einer dünnen Heliumatmosphäre. Die Kohlenstoffatome in der Heliumumgebung bildeten Cluster, die durch freie Expansion des Helium abgekühlt wurden. Danach erfolgte der Zusatz von H2 und N2 Atomen zum Helium, wodurch HCnN entstehen sollte. Als Ergebnis fand man tatsächlich die gesuchten Moleküle, jedoch noch wichtiger, entdeckte man das C60-Molekül.

Der Aufbau des Experimentes sah schematisch wie folgt aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[1]

Mit Hilfe eines gepulsten Neodym-YAG-Lasers wurde Kohlenstoffdampfplasma erzeugt. Der hierfür benötigte Kohlenstoff befand sich auf einer rotierenden Graphitscheibe in einer Heliumumgebung. Die Wellenlänge des Lasers betrug 532nm und lieferte bis 40 Megajoule Energie bei einer Pulsdauer von 5 ns. Das Helium wurde als Trägergas gepulst in den Reaktionsraum eingebracht. Auf diese Weise unterstützte es die Bildung der Cluster und sorgte gleichzeitig für den Abtransport selbiger. Durch den Integrationcup hindurch konnte nun das Clustergas dahinter frei expandieren, wo es dann analysiert werden konnte. Zur Analyse jedoch wurde das Gas noch mittels Laserstrahl ionisiert. Der Integrationcup war nicht unbedingt erforderlich, jedoch beeinflusste die Bandbreite an entstandenen C-Molekülen stark. Das ionisietre Gemisch wurde dann mit einem Flugzeitmassenspektrographen analysiert. Dieses Messprinzip soll mit folgender Abbildung nach „Aston“ verdeutlicht werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[2]

Die Ergebnisse des Experimentes waren außerordentlich. Man führte das Experiment mehrmals mit unterschiedlichen Konfigurationen durch. Im ersten Schritt unterlies man es den Laser und die Einspeisung des Heliums zu koordinieren. Im Ergebnis erhielt man nahezu eine gleiche Verteilung von Cn-Molekülen, wobei sich kein deutlicher Peak herausgebildet hatte. Im zweiten Versuch startete man den Laser genau zu dem Zeitpunkt, als die Dichte des Heliums über der rotierenden Scheibe am größten war. Hierbei zeichnete sich ein deutlicher Peak des C60 ab gegenüber den anderen Cn-Molekülen. Auch war ein deutlicher Peak des C70 zu erkennen.

Als man noch zusätzlich den Integrationcup einsetzte, erhielt man fast ausschließlich C60 und C70 Moleküle, wobei C60 überwog.

Um jedoch die hohe Stabilität der C60-Moleküle begründen zu können, muss man größere Mengen des Stoffes herstellen und isolieren. Zuvor hat man aber durch theoretische Überlegungen und Berechnungen die Existenz der Fussballform des C-Moleküls beschrieben. Auch Graphitfragmente könnten sich gebildet haben, aber müssten diese viele freie Valenzen am Rand des Gitters besitzen, was praktisch nicht vorstellbar ist. Es ist zudem schwierig zu beweisen, warum gerade C60-Moleküle stabiler sind, als z.B. C30 oder andere C-Moleküle.

[...]

^[1] Erstellt durch Stefan Kämpfer

^[2] Vgl. Roro: http://www.roro-seiten.de/physik/kerne/massenspektrograph_nach_aston.html