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In den letzten Jahren sind viele ungewöhnlichen
Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen entdeckt worden. Ein
Beispiel ist ihre extreme mechanische Stabilität, die von der starken
Bindung zwischen Kohlenstoffatomen in einer Graphitlage herrührt und
dafür sorgt, dass Kohlenstoffröhrchen die höchste Reißfestigkeit aller
heute bekannten Materialien haben. Experimente, die seit kurzem an der
Universität Mainz unternommen werden, haben nun gezeigt, dass die hohe
Stabilität von Nanoröhrchen auch dann erhalten bleibt, wenn
Kohlenstoffatome in den graphitischen Lagen fehlen. Die Experimente
wurden in einem hochauflösenden Elektronenmikroskop durchgeführt, wo
mit dem hochenergetischen Elektronenstrahl Kohlenstoffatome aus den
zylindrischen Graphitschalen herausgeschlagen werden können.
Gleichzeitig kann die Struktur mit atomarer Auflösung abgebildet
werden. Es wurde beobachtet, dass die hohlen Graphitzylinder unter
Elektronenbestrahlung schrumpfen, aber nicht zerstört werden. Dies war
zunächst überraschend, konnte dann aber in Zusammenarbeit mit einer
Theoriegruppe in Helsinki erklärt werden. Leerstellen im
Graphitgitter, also Lücken, die nach dem Herausschießen einzelner
Kohlenstoffatome zurückbleiben, haben eine unerwartet hohe
Beweglichkeit bei den Temperaturen des Experiments (ca. 600°C) und
können sich somit zu Doppelleerstellen vereinigen. Diese
Doppelleerstellen sind jedoch instabil und kollabieren durch Schließen
der offenen Bindungen, so dass wieder eine geschlossene Graphitlage
entsteht. Diese besteht nicht mehr nur aus Sechserringen, wie dies im
perfekten Graphit der Fall ist, sondern enthält dann auch Fünfer- oder
Siebenerringe. Die Graphitstruktur heilt sich somit selbst, wenn Atome
fehlen, und behält auch ihre hohe Reißfestigkeit. Allerdings nimmt
ihre Oberfläche ab, so dass die zylindrisch geschlossenen
Graphithüllen kontrahieren.
Sind die Röhrchen nun nicht leer, sondern mit
anderen Materialien gefüllt, sollte man erwarten, dass ein Schrumpfen
der Röhrchen nicht ohne weiteres möglich ist, denn von dem
eingeschlossenen Material müsste ja Gegendruck ausgehen. In den
Mainzer Experimenten wurde aber beobachtet, dass die Kontraktion der
Röhrchen so heftig ist, dass die eingeschlossenen Metallkristalle
massiv deformiert und schließlich aus den Röhren in Längsrichtung
herausgequetscht werden. Rechnungen zeigen, dass in den kollabierenden
Nanoröhrchen bei einem solchen Experiment Drücke von bis zu 400.000
Atmosphären in radialer Richtung auftreten können. Dies ist bei weitem
genug, um auch harte Materialien zu verformen.
Die hohe Auflösung des Elektronenmikroskops, in dem
das in-situ-Experiment abläuft, ermöglicht es, die Verformung mit
atomarer Auflösung zu beobachten. Nach Darstellung von Banhart sind
solche Studien vor allem deshalb interessant, weil nanokristalline
Materialien, also Festkörper, die aus extrem kleinen Kristalliten
aufgebaut sind, eine ungewöhnlich hohe Härte besitzen und deshalb
bereits seit einigen Jahren technisch eingesetzt werden. "Die
mechanischen Eigenschaften nanokristalliner Materialien sind jedoch
noch wenig verstanden, unter anderem deshalb, weil das
Verformungsverhalten einzelner Kristallite, d.h. einkristalliner
Körner, aus denen das Material aufgebaut ist, noch nicht untersucht
werden konnte", sagte der Physiker. Dazu können Experimente, wie sie
jetzt in Mainz gelungen sind, künftig beitragen. (lei) |
