Carbon Nanotubes

Kohlenstoff-Nanoröhren sind aufgerollte Graphen-Schichten, die innen im Idealfall hohl sind. An ihren Enden können sie offen sein oder eine Fulleren-artige Kappe besitzen. Man unterscheidet prinzipiell zwischen den einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (single-wall carbon nanotubes – SWCNT) und den mehrwandigen Kohlenstoff- Nanoröhren (multi-wall carbon nanotubes – MWCNT). Dazwischen gibt es noch die zweiwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (double-wall carbon nanotubes – DWCNT) sowie die ebenfalls bekannten wenig wandigen Kohlenstoff- Nanoröhren (few-wall carbon nanotubes – FWCNT), die den Bereich zwischen zweiwandigen und dünnen mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen.

In der Realität findet man zwischen den idealen röhrenförmigen Strukturen oft auch bambusartige Strukturen (bamboo structures), die in unregelmäßigen Abständen Verbindungsstege ausgebildet haben, sowie mehrwandige Röhren, in denen die Kohlenstoff-Schichten nicht völlig parallel ausgerichtet sind, sondern als ineinander geschachtelte Trichter vorliegen.

Typische Verunreinigungen in Kohlenstoff-Nanoröhren sind Reste der eingesetzten Katalysatoren (Metalloxide) und Katalysatorträger, wie z. B. Aluminiumoxid und Siliziumdioxid. Je nach Herstellungsverfahren können auch geringe Mengen an amorphem Kohlenstoff enthalten sein.

Single Wall Carbon Nanotubes – SWCNT

Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen besitzen in der Regel einen Durchmesser von 0,7 bis 4 nm. Wegen ihrer energiereichen Oberfläche liegen sie häufig als bündelartiges Aggregat (bundle) vor. SWCNTs können sich in ihrer Kristallstruktur unterscheiden, je nachdem mit welcher Steigung (Chiralität) die Graphenlage gerollt ist. Neben den „chiralen“ SWCNTs mit einer beliebigen Steigung unterscheidet man die „zigzag“ und die „armchair“ Struktur entsprechend der Anordnung der Kohlenstoffatome entlang der CNT-Achse für einen Steigungswinkel von 0° bzw. von 30°. Diese Unterscheidung bei den SWCNTs ist wichtig, da nur die armchair-Struktur eine metallische Leitfähigkeit besitzt. Alle anderen Chiralitäten können elektrisch leitfähig oder halbleitend sein, je nach Steigungswinkel und Durchmesser der CNTs. Industriell werden SWCNTs über verschiedene Verfahren hergestellt. Neben der katalytischen Abscheidung aus der Gasphase (CCVD-Verfahren: catalytic chemical vapor deposition) sind das Lichtbogen-Verfahren und die Laserablation bekannt, die alle zu einem Gemisch unterschiedlicher Chiralitäten führen.

Multi Wall Carbon Nanotubes – MWCNT

Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren kann man sich als ineinander geschachtelte Röhren (russian doll type) wie auch als eine mehrfach aufgerollte Graphenlage (scroll-type) vorstellen. Sie haben in der Regel einen Durchmesser im Bereich von 5 - 20 nm. Es sind aber auch große MWCNTs mit Durchmessern > 100 nm bekannt. MWCNTs sind aufgrund ihrer Struktur immer elektrisch leitfähig.

Technisch werden MWCNTs heute nahezu ausschließlich über das kostengünstige CCVD-Verfahren mit hohen Katalysatorausbeuten im industriellen Maßstab hergestellt. Je nach Größe und Reinheit der Nanotubes sind verschiedene Qualitäten auf dem Markt verfügbar.

MWCNTs besitzen ähnlich wie SWCNTs einen sehr hohen E-Modul sowie eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Da sie kostengünstig in großen Mengen auf dem Markt verfügbar sind, ein hohes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis aufweisen und damit schon in geringen Zusatzmengen eine gute elektrische Leitfähigkeit und hohe mechanische Festigkeit bewirken, werden sie heute vielfach für elektrisch leitfähige Beschichtungen und in Kompositwerkstoffen eingesetzt.