Institut für Technikfolgen-Abschätzung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften NNrr.. 002222 •• MMäärrzz 22001111

Einleitung

Wegen ihrer einmaligen physikalischen Ei-genschaften gelten Kohlenstoff-Nanoröhr-chen (Carbon nanotubes, CNTs) als einesder wichtigsten Materialien des 21. Jahr-hunderts. Nanoröhrchen bestehen ausgraphitartigem Kohlenstoff. Sie haben ei-nen Durchmesser von etwa 1 bis 100 Na-nometer (nm) und können bis zu einigenMikrometern oder gar Millimetern lang wer-den. Es gibt einwandige und mehrwandi-ge Kohlenstoff-Nanoröhrchen. CNTs be-sitzen ungewöhnliche mechanische undelektrische Eigenschaften und eignen sichfür zahlreiche Anwendungen. Wegen derhohen Stromdichten, die man in CNTs er-reichen kann, wird bereits an der nächs-ten Chipgeneration, an schnellen und ver-lustarmen Transistoren für hoch integrier-te Schaltungen und an neuen Bauelemen-ten geforscht. Andere Arbeitsgruppen be-schäftigen sich mit der Entwicklung vonchemischen und biologischen Sensoren aufCNT-Basis, mit transparenten Elektrodenfür Solarzellen und Leuchtdioden, mit Mem-branen für Brennstoffzellen, mit CNT-An-wendungen auf Leiterplatten u.v.a.m. CNTswecken einerseits Hoffnungen auf innova-tive Anwendungen von der Technik bis hinzur Medizin und versprechen damit auchein erhebliches wirtschaftliches Potenzial.Dieses Dossier gibt eine Übersicht überGrundlagen, Herstellungsverfahren undAnwendungsbereiche von CNTs.

Kohlenstoff und seine Strukturformen

Kohlenstoff ist die Grundlage des Lebensauf der Erde. Jedes lebende Gewebe ist ausorganischen Kohlenstoffverbindungen auf-gebaut. Die Atome dieses wichtigen Ele-ments besitzen die Fähigkeit, sich miteinan-der und mit Atomen anderer Elemente zukomplexen Molekülen zu verbinden, so dassKohlenstoff von allen chemischen Elemen-ten die größte Vielfalt an Verbindungenaufweist. Bereits elementarer Kohlenstoffkommt in mehreren sehr unterschiedlichenStrukturformen (allotrope Modifikationen)vor (Abb. 1 auf der nächsten Seite).

• Eine bekannte Form reinen Kohlenstoffsist der Diamant, in dem die Kohlenstoff-atome eine Kristallstruktur bilden. Dia-manten entstehen im Erdmantel unterhohem Druck und hohen Temperaturenund sind das härteste in der Natur vor-kommende Material.

• 1970 wurde von dem Chemiker Eiji Osa-wa die Existenz einer neuen Strukturformvon Kohlenstoff theoretisch berechnet,aber erst 15 Jahre später, 1985, wurdendie kugelförmigen Fullerene entdeckt.Die bekanntesten, die sogenanntenC60-Fullerene („Buckyballs“), bestehenaus 60 Kohlenstoffatomen, welche inSechs- und Fünfecken angeordnet sind.Aufgrund dieser Struktur ähneln C60-Fullerene Fußbällen. Den Namen ver-danken sie allerdings ihrer Ähnlichkeitmit Kuppeln des US-amerikanischenArchitekten Richard Buckminster Fuller.Für die Entdeckung der Fullerene erhiel-ten Curl jr. (USA), Sir Kroto (England)und Smalley (USA) 1996 den Nobelpreisfür Chemie. Die Verwendung von Ful-lerenen etwa als Schmiermittel, Kataly-satoren oder in der Medizin ist derzeitnoch Gegenstand der Forschung.

Zusammenfassung

Kohlenstoff ist die Grundlage des Lebensauf der Erde und weist von allen chemi-schen Elementen die größte Vielfalt anVerbindungen auf. Bereits elementarerKohlenstoff kommt in mehreren sehr un-terschiedlichen Strukturformen vor, zudenen Diamant, Graphit, Fullerene undKohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon na-notubes, CNTs) gehören. Letztere sindweithin bekannte und vielversprechen-de Nanomaterialien. Zu ihren außerge-wöhnlichen Eigenschaften gehören ho-he Beständigkeit, Zugfestigkeit und elek-trische Leitfähigkeit in Verbindung mitsehr geringem Gewicht. Weltweit wer-den Kohlenstoff-Nanoröhrchen bereitsin zahlreichen Industriebetrieben herge-stellt, wobei die Herstellung mittels CVD-Verfahren (Chemische Gasphasenab-scheidung) derzeit die größte Bedeutunghat. CNTs finden derzeit Anwendung alsZusatz zu verschiedenen Kunststoffen imBereich der Elektronik, im Automobil-bau, der Schifffahrt oder zur Herstellungvon Sportgeräten. In Zukunft sollen CNTsinsbesondere in der Energie- und Um-welttechnik Einsatz finden, etwa für ver-besserte Batterien und für Solar- oderBrennstoffzellen, aber auch in der Bau-industrie, z. B. für Hochleistungsbetonoder für den Arzneimitteltransport in derMedizin.

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Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes) – Teil I:Grundlagen, Herstellung, Anwendung

Sabine Greßler, René Fries, Myrtill Simkó*

* Korrespondenzautorin

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• Eine weitere Form von Kohlenstoff ist Gra-phit, das aus mehreren übereinander lie-genden, gitterartig aufgebauten Kohlen-stoff-Schichten besteht. In der Natur istGraphit relativ selten. Graphit wird auf-grund seiner hohen Temperaturbeständig-keit etwa als Dichtungsmaterial oderSchmiermittel eingesetzt. Am bekanntes-ten ist jedoch die Verwendung in Bleistift-minen.

• Eine Lage Graphit, die nur aus einer ein-zigen gitterartig vernetzten Schicht ausKohlenstoffatomen besteht, wird Graphengenannt. Bekannt sind graphenartigeStrukturen seit den 1960er Jahren, aller-dings war es bis vor wenigen Jahren nichtmöglich, eine solche Schicht zu isolieren.Das gelang erst 2004 Andre Geim undKonstantin Novoselov von der Universitätvon Manchester (UK), wobei sie Klebe-band verwendeten, um dünne Schichtenvon einem Graphitkristall abzulösen4. Fürihre „bahnbrechenden Experimente be-treffend das zweidimensionale MaterialGraphen“ erhielten Geim und Novoselovden Nobelpreis für Physik 2010. Mittlerweile gibt es auch weiterentwickel-te technische Methoden und es ist bereitsmöglich, Graphen-Lagen in einer Breitevon 70 cm herzustellen. Graphen weist er-staunliche Eigenschaften auf. Es ist trans-parent, 100fach stärker als der stärksteStahl und hat eine sehr hohe elektrischeund thermische Leitfähigkeit. Diese beson-deren Eigenschaften machen Graphen in-teressant für eine Reihe von Anwendun-gen, die derzeit in Entwicklung sind, zumBeispiel transparente „Touch Screens“,Leuchtpaneele oder Solarzellen. In Kunst-stoffe eingearbeitet eröffnet Graphenneue Möglichkeiten für Materialien, diegleichzeitig besonders widerstandsfähigund sehr leicht sind, etwa für Satelliten-oder Flugzeugbau.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Während Diamant eine starre, nicht verform-bare Kristallstruktur aufweist, lässt sich dasflexible Graphen krümmen und sogar zu ei-nem Zylinder formen (Abb. 2). Solche „auf-gerollten“ Formen des Kohlenstoffs werdenals Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Na-notubes, CNTs) bezeichnet5. Man unterschei-det einwandige CNTs (Single-Walled CNT,SWCNT), die nur aus einer aufgerollten Gra-phitschicht bestehen und einen Durchmes-ser bis zu 3 nm aufweisen, und mehrwan-

dige CNTs (Multi-Walled CNT, MWCNTs), dieaus mehreren, konzentrisch ineinander ver-schachtelten Graphitröhrchen bestehen6 undDurchmesser bis zu etwa 100 nm erreichenkönnen. Je nach Aufrollrichtung (dem Auf-rollvektor) entstehen unterschiedliche Modi-fikationen, die andere elektrische Eigenschaf-ten aufweisen. SWCNTs können je nach Auf-rollvektor entweder den Charakter von Me-tallen annehmen und elektrisch leitend sein,sich wie ein Halbleiter verhalten oder nicht-leitend sein. MWCNTs erreichen mindestensdie Leitfähigkeit von Metallen. Entdeckt wur-den die CNTs 1991 von Sumio Iijima7. Eben-so wie die Fullerene kommen CNTs auch na-türlich als Produkte von Verbrennungsprozes-sen in der Umwelt vor, sie sind also keine„Erfindung“ des Menschen. Diese Materia-lien wurden nämlich in Eisbohrkernen mit10.000 Jahre alten Proben nachgewiesen8.

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Abbildung 2:Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wie auch

Fullerene, bestehen im Prinzip ausaufgerollten Schichten von Graphen1

Abbildung 1: Beispiele der verschiedenen Strukturformen des Kohlenstoffs. a.) Diamant; b.) Graphit; c.) Lonsdaleit (hexagonaler Diamant);

d.) Buckminster-Fulleren (C60); e. C540, f. C70; g.) Amorpher Kohlenstoff, h.) Nanoröhrchen2

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CNTs weisen neben elektrischen auch beson-dere thermische und mechanische Eigen-schaften auf, die sie interessant für die Ent-wicklung neuer Materialien machen5; 6; 9:

• CNTs sind elektrisch leitfähig (MWCNTsimmer; SWCNTs in Abhängigkeit von ih-rer Aufrollrichtung)

• die mechanische Zugfestigkeit kann dasmehr als 400-fache von Stahl erreichen

• CNTs sind sehr leicht – die Dichte beträgtetwa ein Sechstel der des Stahls

• die Wärmeleitfähigkeit ist besser als dievon Diamant – dem besten bisher bekann-ten Wärmeleiter

• CNTs weisen ein sehr großes Aspektver-hältnis auf, d. h. bezogen auf ihre Längesind sie extrem dünn

• sie sind genau wie Graphit chemisch sehrstabil und widerstehen praktisch jeder che-mischen Einwirkung, sofern sie nicht gleich-zeitig hohen Temperaturen und Sauerstoffausgesetzt werden. CNTs sind also extremkorrosionsbeständig

• der leere Innenraum von CNTs kann mitverschiedenen nanoskaligen Materialiengefüllt werden, die somit separiert und vonder Umgebung abgeschirmt werden kön-nen.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind von den so-genannten Kohlenstoff-Nanofasern (CNFs)zu unterscheiden, auch wenn in der Litera-tur die beiden Begriffe oft synonym verwen-det werden. CNFs sind zumeist einige Mikro-meter lang und haben einen Durchmesservon etwa 200 nm. Carbon-Fasern werdenschon seit Jahrzehnten zur Verstärkung inVerbundmaterialien eingesetzt (z. B. Boots-bau, Luft- und Raumfahrt, Sportgeräte, etc.).

CNFs weisen nicht die gitterartige Strukturvon CNTs auf, sondern bestehen aus einerMischung verschiedener Formen von Kohlen-stoff bzw. aus mehreren Lagen von Graphit,die in verschiedenen Winkeln übereinanderauf amorphen (die Atome nehmen keine ge-ordnete Struktur an) Kohlenstoff gestapeltsind. CNFs besitzen ähnliche Eigenschaftenwie CNTs, weisen aber aufgrund ihrer vari-ablen Struktur eine geringere Zugfestigkeitauf und sind innen nicht hohl.

Herstellung

Zur Herstellung von CNTs stehen derzeit dreiVerfahren zur Verfügung: die Lichtbogensyn-these, die Laserverdampfung von Graphit unddie Chemische Gasphasenabscheidung(CVD). Bei den beiden erstgenannten Ver-fahren wird Graphit elektrisch bzw. mit Hil-fe eines Lasers verbrannt und die in der Gas-phase entstehenden CNTs werden abge-schieden. In allen drei Verfahren ist der Ein-satz von Metallen (z. B. Eisen, Kobalt, Nickel)als Katalysatoren notwendig. Das CVD-Ver-fahren hat derzeit die größte Bedeutung, daes die Herstellung größerer Mengen vonCNTs unter besser kontrollierbaren Bedin-gungen erlaubt und kostengünstiger ist3. Beider CVD wird ein kohlenstoffhaltiges Gas(z. B. Kohlenmonoxid oder Ethen) über einenKatalysator geleitet, an dem die CNTs gebil-det werden (Abb. 3). Aus den eingesetztenKatalysatorpartikeln werden zunächst kleineSekundärpartikel von der Größe des Durch-messers der CNTs gebildet, an denen dasWachstum der Nanoröhrchen erfolgt. Da-bei liegt das Katalysatorpartikel entweder ander Spitze oder an der Basis der entstehen-

den Nanoröhrchen. Das Wachstum kommtzum Erliegen, wenn das Katalysatorpartikeldurch die Bildung einer Kohlenstoffhülle de-aktiviert wird. Man unterscheidet zwischenrein katalytischen und plasmaunterstütztenCVD-Verfahren. Letztere benötigen etwasniedrigere Temperaturen (200-500°C) alskatalytische Verfahren (bis 750°C) und zie-len auf ein „rasenartiges“ Wachstum derCNTs ab5; 6. Strukturdefekte und Verunrei-nigungen, wie z. B. Rückstände der metalli-schen Katalysatoren, verändern das physi-kalisch-chemische Verhalten der CNTs, wes-halb diese mittels verschiedener Verfahren(z. B. Säurebehandlung oder Ultraschall) amEnde des Herstellungsprozesses gereinigtwerden müssen3.

Anwendungsbereiche

Den CNTs wird das Potenzial zugesprochen,völlig neue Werkstoffe und Produkte hervor-zubringen, deren Eigenschaften mit bishe-riger Technologie nicht realisierbar waren.Es wird sogar von einem „Megatrend“ in derWerkstofftechnologie gesprochen10. Weltweitwerden große Anstrengungen unternommen,die besonderen Eigenschaften von CNTs fürneue Materialien und Produkte nutzbar zumachen und in einigen Bereichen konntedies schon realisiert werden. Tabelle 1 gibteinen Überblick über Beispiele bereits ver-fügbarer Anwendungen sowie solcher, diesich derzeit in Erforschung und Entwicklungbefinden. Insbesondere als Zusatz zu Kunst-stoffen finden CNTs derzeit Verwendung. Ge-handelt werden CNTs als Pulver (Abb. 4), also in stark verknäuelter, agglomerierterForm. Damit CNTs aber ihre besonderen Ei-genschaften entfalten können, ist eine Ver-einzelung und gleichmäßige Verteilung imTrägermaterial notwendig. Dies stellt einegroße technische Herausforderung dar, dermittels spezieller Methoden aus der Verfah-renstechnik begegnet wird11. Weiters istauch eine chemische Verbindung der CNTsmit dem Trägermaterial, z. B. einem Kunst-stoff, notwendig. Dazu werden die CNTsfunktionalisiert, d. h. ihre Oberfläche wirdchemisch so angepasst, dass sie in die un-terschiedlichen Materialien und für die je-weilige Verwendung optimal eingearbeitetwerden können.

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Abbildung 3:Schematische Darstellung des Wachstumsvon CNTs an Katalysatorpartikeln bei derHerstellung mittels CVD3

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Kohlenstoff-Nanoröhrchen lassen sich auchzu Fasern verspinnen12, die in Zukunft nichtnur für spezielle Textilien interessant sein kön-

nen, sondern mit deren Hilfe auch ein be-sonders utopisches Projekt realisiert werdensoll – der Weltraumlift13.

Anmerkungen und Literaturhinweise 1 www.kva.se/en/pressroom/Press-releases-

2010/The-Nobel-Prize-in-Physics-2010/.2 de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoff.3 Endo, M., Hayashi, T., Kim, Y. A., Terrones, M.

und Dresselhaus, M. S., 2004, Applications ofcarbon nanotubes in the twenty-first century,Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362, 2223-2238.

4 Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V.,Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S. V., Griogrie-va, I. V. und Firsov, A. A., 2004, Electric FieldEffect in Atomically Thin Carbon Films, Science306, 666-669.

5 Klingeler, R., Kramberger, C., Müller, C., Pich-ler, T., Leonhardt, A. und Büchner, B., 2007,Funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren: Ma-terialforschung in der Nanowelt, Wissenschaft-liche Zeitschrift der Technischen UniversitätDresden 56(1-2), 105-110.

6 Jess, A., Kern, C., Schrögel, K., Jung, A. undSchütz, W., 2006, Herstellung von Kohlenstoff-Nanotubes und -fasern durch Gasphasenab-scheidung, Chemie Ingenieur Technik 78(1-2),94-100.

7 Iijima, S., 1991, Helical microtubules of graphiticcarbon, Nature 354, 56-58.

8 Murr, L. E., Soto, K. F., Esquivel, E. V., Bang,J. J., Guerrero, P. A., Lopez, D. A. und Ramirez,D. A., 2004, Carbon Nanotubes and OtherFullerene-Related Nanocrystals in the Environ-ment: A TEM Study, Journal of Minerals, Met-als and Materials Society 56(6), 28-31.

9 Holister, P., Harper, T. E. und Román Vas, C.,2003, Nanotubes White Paper: CMP Cienti-fica.

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Tabelle 1: Beispiele zur Anwendung von CNTs – realisiert und F&E

Materialien und Eigenschaften14: Anwendungsbereiche:

Realisiert:

Kunststoff-Granulate („Masterbatches“) mitCNTs als Additiv zur Herstellung elektrostatischableitfähiger thermoplastischen Kunststoffe;Gewichtsreduktion, Erhöhung derKorrosionsbeständigkeit

Elektronik: Verpackungsmaterial für Transportund Lagerung für integrierte Schaltkreise („IC-Trays“); Prüfsockel für Microchips;Transport- und Lagerungsbehälter fürHalbleiterscheiben;

Automobil: Treibstoffsystem-Komponenten,Kotflügel, Spiegelgehäuse, Türgriffe;

Silikonharze mit CNTs als Additive für Farbenund Lacke; Erhöhung der Feuerbeständigkeitund Kratzfestigkeit; Oberflächenbehandlungvon Metall, Beton, Holz, Ziegel undHolzfaserplatten;

Brandschutz: Flammensperre für Schaumstoff;Beschichtung von Kabeln und Drähten;

Anti-Haftbeschichtung für Schiffe: gegen Aufwuchs von marinen Organismen (z. B. Muscheln)

Epoxidharze (duroplastische Kunststoffe) mitCNTs; Erhöhung der Strapazier- undBruchfestigkeit, Antistatik; Gewichtsreduktion

Sportartikel: Fahrradrahmen, Hockey-, Tennis-und Golfschläger, Schi, Kajaks; Sportpfeile

Schifffahrt: Masten und andere Teile vonSegelschiffen;

Luftfahrt: keine detaillierten Angaben verfügbar

Energietechnik: Beschichtung vonRotorblättern von Windkraftanlagen

Industriemaschinen: Industrieroboter-Arme

Forschung & Entwicklung15:

Elektrisch leitfähige Tinten; bessereLeitfähigkeit und mechanische Beständigkeit

Energietechnik: Solarzellen

Bipolar- und Gasdiffusionsschichten Energietechnik: Brennstoffzellen

Elektroden aus CNTs Energietechnik: Lithium-Ionen-Batterien mitbesserer Speicherkapazität;

Membrane mit CNT; höhere Energieeffizienzund Produktivität

Umweltechnik: Meerwasserentsalzung,Gastrennung von CO2

Ultraleichte Verbundwerkstoffe Luft- und Raumfahrt, Automobil

Hochfeste Partikelschäume mit CNTs;Steigerung der Absorbtionsfähigkeit vonDeformationsenergie

Automobil: Erhöhung der Sicherheit vonKarosserieteilen;

Kunststoffteile und Dichtungen auf Basis vonElastomeren mit CNTs; bessere Eigenschaften inBezug auf Reibung, Schmierung und Verschleiß

Bauindustrie

Metalle mit CNTs Automobil: Mechanisch hoch belastete Bauteile

Ultrahochleistungsbeton mit CNTs; Erhöhungder Stabilität und Elastizität

Bauindustrie: z. B. Hochhäuser, Brücken

Oberflächenfunktionalisierte, biokompatibleCNTs für den zielgerichteten Arzneimitteltrans-port im menschlichen Körper („Drug delivery“)16

Medizin: z. B. Krebstherapie

CNT-verstärkte Polymerkompositfasern und -gewebe; Fasern aus CNTs; Verbesserung derWiderstandsfähigkeit; Leitfähigkeit,Hydrophobie, Flammhemmung17

Textilien: Antistatische und elektrisch leitfähigeTextilien („Smart Clothes“); kugelsichereWesten, wasserabweisende undflammhemmende Textilien

Transistoren aus CNTs: schnellere undleistungsfähigere Schaltkreise

Elektronik: Computerchips

Abbildung 4:Handelsübliche CNTs

(Bayer Baytubes, Bayer AG, Deutschland)

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10 Inno.CNT, 2009, Innovationsallianz CNT –Kohlenstoffnanomaterialien erobern Märkte, imAuftrag von: Bundesministerium für Bildungund Forschung, Januar 2009, Düsseldorf: In-novationsallianz Carbon Nanotubes.

11 Nanotechnologie in Kunststoff. Innovations-motor für Kunststoffe, ihre Verarbeitung und An-wendung., Nr. Band 15 der Schriftenreihe derAktionslinie Hessen-Nanotech des HessischenMinisteriums f. Wirtschaft, Verkehr und Landes-entwicklung.

12 Li, Y.-L., Kinloch, I. A. und Windle, A. H., 2004,Direct Spinning of Carbon Nanotube Fibresfrom Chemical Vapor Deposition Synthesis, Sci-ence 304, 276-278.

13 www.liftport.com.14 www.nanocyl,

www.baytubes.com und www.amroy.fi.

15 www.inno-cnt.de.16 Liu, Z., Tabakman, S., Welsher, K. und Dai, H.,

2009, Carbon Nanotubes in Biology and Med-icine: in vitro and in vivo Detection, Imagingand Drug Delivery, Nano Res. 2(2), 85-120.

17 Siegfried, B., 2007, NanoTextiles: Functions,nanoparticles and commercial applications,Dezember 2007: EMPA.

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IMPRESSUM:

Medieninhaber: Österreichische Akademie der Wissenschaften; Juristische Person öffentlichen Rechts(BGBl 569/1921 idF BGBl I 130/2003); Dr. Ignaz Seipel-Platz 2, A-1010 Wien

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Erscheinungsweise: Die NanoTrust-Dossiers erscheinen unregelmäßig und dienen der Veröffentlichung der Forschungsergebnisse des Instituts für Technikfolgen-Abschätzung im Rahmen des Projekts NanoTrust.Die Berichte werden ausschließlich über das Internetportal „epub.oeaw“ der Öffentlichkeit zur Verfügunggestellt: epub.oeaw.ac.at/ita/nanotrust-dossiers/

NanoTrust-Dossier Nr. 022, März 2011: epub.oeaw.ac.at/ita/nanotrust-dossiers/dossier022.pdf

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