KOHLENSTOFFNANORÖHREN (CNTs)

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind zylindrische Nanostrukturen, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, die in einer hexagonalen Struktur angeordnet sind. Sie zeichnen sich durch ihre bemerkenswerten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften aus.

Geschichte der Kohlenstoffnanoröhren

Das Konzept der Kohlenstoffnanoröhren entstand Ende des 20. Jahrhunderts als Ergebnis grundlegender Forschungen zu Kohlenstofffilamenten, die zwischen den 1950er- und 1970er-Jahren durchgeführt wurden. Diese Untersuchungen deuteten auf die Möglichkeit von röhrenförmigen Kohlenstoffstrukturen hin.
Erst 1991 entdeckte Sumio Iijima, ein Wissenschaftler bei NEC in Japan, die Kohlenstoffnanoröhren offiziell. Mithilfe hochauflösender Elektronenmikroskopie konnte er ihre charakteristische zylindrische Form nachweisen, was einen entscheidenden Durchbruch in der Nanotechnologie darstellte.
Ab den 2000er-Jahren führten bedeutende Fortschritte in Synthesetechniken dazu, dass CNTs von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu einem praktischen Material wurden. Dadurch fanden sie Anwendung in zahlreichen industriellen und wissenschaftlichen Bereichen.
Heute sind Kohlenstoffnanoröhren in Branchen wie der Luftfahrt, Elektronik und Präzisionstechnik unverzichtbar. Sogar in der Uhrmacherei werden sie experimentell genutzt, um die Leistung und Haltbarkeit zu verbessern.

Produktion von Kohlenstoffnanoröhren

Die Herstellung von CNTs basiert auf drei Hauptmethoden, die jeweils spezifische Vorteile und Anwendungen bieten.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Dies ist die gängigste Methode. Dabei werden Kohlenwasserstoffgase wie Methan bei hohen Temperaturen auf Katalysatoren wie Eisen oder Nickel zersetzt. Die Kohlenstoffatome formen sich zu Röhrenstrukturen. Dieser Prozess ist kostengünstig und eignet sich für die Massenproduktion.
Lichtbogenentladung
Bei dieser Methode wird ein starker elektrischer Lichtbogen zwischen Graphitelektroden in einer Inertgasatmosphäre erzeugt. Dadurch entstehen CNTs von hoher Qualität. Allerdings ist die Produktionsmenge begrenzt, was die industrielle Nutzung einschränkt.
Laserablation
Hierbei wird eine Kohlenstoffzielscheibe mithilfe eines Lasers in einem Ofen verdampft. Die Nanoröhren bilden sich, wenn der Dampf abkühlt. Diese Methode liefert CNTs von außergewöhnlicher Qualität, ist jedoch aufgrund der hohen Kosten nur für spezialisierte Anwendungen geeignet.

Bearbeitung von Kohlenstoffnanoröhren

Die Bearbeitung von CNTs stellt spezifische Herausforderungen dar, die spezielle Techniken und Ausrüstung erfordern:

Integration in Verbundwerkstoffe: Reine CNTs werden selten verwendet. Sie werden meist mit Materialien wie Harzen, Keramiken oder Metallen kombiniert, um Verbundstoffe herzustellen.
Präzise Bearbeitung: Die extreme Härte von CNTs führt zu einem schnellen Verschleiß von Werkzeugen. Daher werden diamantbeschichtete oder Hartmetallwerkzeuge eingesetzt, um Präzision und Effizienz zu gewährleisten.
Wärmemanagement: Obwohl die hervorragende Wärmeleitfähigkeit der CNTs hilft, Wärme während der Bearbeitung abzuleiten, ist eine sorgfältige Steuerung erforderlich, um Materialverformungen zu vermeiden.

Anwendungen in der Uhrmacherei

Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren in der Uhrmacherei ist bisher nur sporadisch oder experimentell. Im Jahr 2019 wurden kurzzeitig Spiralfedern aus CNTs vermarktet. Die hohen Kosten der komplexen Herstellungsprozesse im Vergleich zu den Vorteilen gegenüber traditionellen Materialien oder günstigeren technischen Verbundstoffen erklären, warum CNTs bisher kaum in der Uhrmacherei eingesetzt werden.

Einschränkungen und Herausforderungen

Trotz ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften gibt es einige Einschränkungen und Herausforderungen bei der Verwendung von CNTs:

Kosten: Die Produktion hochwertiger CNTs ist teuer und schränkt ihre Anwendung auf Hightech- oder Hochleistungsindustrien wie die Luftfahrt ein.
Gesundheitliche Bedenken: Es gibt potenzielle Risiken durch das Einatmen oder den Umgang mit Nanopartikeln. Strenge Sicherheitsvorschriften für Arbeiter sind daher unerlässlich.
Materialintegration: Die Einbindung von CNTs in Präzisionskomponenten in großem Maßstab bleibt eine komplexe und zeitaufwendige Aufgabe.
Materialkompatibilität: CNTs können mit bestimmten Substanzen reagieren, was ihre Verwendung in einigen Verbundstoffen begrenzt.