Molekulares Origami auf der Platinoberfläche
Wie geht nun der Prozess, bei dem sich das Kohlenstoffnanoröhrchen aufbaut, konkret vonstatten? Im ersten Schritt muss sich das flache Ausgangsmolekül – ähnlich wie beim Origami – zu einem dreidimensionalen Objekt, dem Keimling, umformen. Dies geschieht auf einer heißen Platinoberfläche durch eine katalytische Reaktion, bei der sich von dem Vorläufermolekül Wasserstoffatome abspalten und an ganz bestimmten Stellen neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bilden. Aus dem flachen Molekül faltet sich der Keim: ein kleines, kuppelartiges Gebilde mit offenem Rand, das auf der Platinoberfläche sitzt. Diese so genannte Endkappe bildet den Deckel des wachsenden SWCNT.
In einem zweiten chemischen Prozess lagern sich weitere Kohlenstoffatome an, die bei der katalytischen Zersetzung von Ethen auf der Platinoberfläche entstehen. Sie setzen sich auf den offenen Rand zwischen Endkappe und Platinfläche und heben die Kappe immer weiter an; das Röhrchen wächst langsam in die Höhe. Dabei bestimmt ausschließlich die Form des Keims die atomare Struktur des Nanoröhrchens. Dies wiesen die Forscher durch eine Analyse der Schwingungsmodi der SWCNT sowie Messungen im Rastertunnelmikroskop nach. Weitere Untersuchungen an der Empa zeigten, dass die entstandenen SWCNT über 300 Nanometer lang werden.
Aus geeigneten Vorläufermolekülen entstehen verschiedene Nanoröhrchen
Die Forscher haben damit bewiesen, dass sie das Wachstum und damit die Struktur langer SWCNT mit maßgeschneiderten molekularen Keimen eindeutig vorgeben können. Die in dieser Studie synthetisierten SWCNT können dabei in zwei Formen vorliegen, die sich ein Gegenstand und sein Spiegelbild gleichen. Indem die Forscher das Vorläufermolekül entsprechend wählen, beeinflussen sie, welche der beiden Varianten entsteht. Je nachdem, wie sich das wabenartige Atomgitter aus dem Anfangsmolekül ableitet – gerade oder schräg bezüglich der CNT-Achse –, können aber auch nicht-spiegelsymmetrische, schraubenartig gewundene, das heißt rechts- oder links-drehende Röhrchen entstehen. Und genau diese Struktur bestimmt dann auch, welche elektronischen, thermo-elektrischen und optischen Eigenschaften das Material besitzt. Die Forscher können also prinzipiell durch die Wahl des Ausgangsmoleküls gezielt Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen.
In weiteren Schritten möchten Roman Fasel und seine Kollegen noch besser verstehen, wie SWCNT eine Oberfläche besiedeln. Auch wenn schon jetzt weit mehr als 100 Millionen Nanoröhrchen pro Quadratzentimeter auf der Platinoberfläche wachsen, entstehen doch nur aus einem vergleichsweise kleinen Teil der Keime auch tatsächlich „ausgewachsene“ Nanoröhrchen. Stellt sich die Frage, welche Prozesse dafür verantwortlich sind und wie sich die Ausbeute erhöhen lässt.
*) Interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb der Eidgenössischen Technische Hochschule Zürich
->Quelle: fkf.mpg.de; nature.com; mpg.de; empa.ch