Kohlenstoffmaterialien mit individuellen Eigenschaften: Neue Wege in der Nanofabrikation

An beiden Publikationen sind mit Professorin Ute Kaiser und Dr. Johannes Biskupek Wissenschaftler der Ulmer Zentralen Einrichtung Elektronenmikroskopie beteiligt. Ihre Forschungsarbeiten sind in das Ulmer Großprojekt SALVE (Sub-Angström Low-Voltage Electron Micorscopy) eingebettet.

Die neuen Erkenntnisse sind äußerst relevant für die Nanotechnologie: Schließlich zählt die Kontrolle der Größe, Form und chemischen Funktionalität von Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen auf atomarem Niveau zu den aktuellen Herausforderungen in diesem Bereich. In der Praxis könnten maßgeschneiderte Kohlenstoffmaterialien die Anwendungsmöglichkeiten von Graphen in superschnellen Computerchips oder etwa Touchscreens erweitern.

Der Nobelpreis 2010 für die Entdeckung der Kohlenstoff-Variante Graphen – dabei handelt es sich um das dünnste Material der Welt – unterstreicht weiterhin die Bedeutung von Kohlenstoffnanostrukturen für die Wissenschaft.

In der Publikation „Self-assembly of a sulphur-terminated graphene nanoribbon within a single-walled carbon nanotube“ in Nature Materials beschreiben die Wissenschaftler die Bildung von Graphen-Nanostreifen in exakt definierten Formen und Größen. Dabei dienen winzige, aus Kohlenstoff gebildete Röhrchen als Matrize und „Reagenzglas“. Bei ihren Versuchen mit Elektronenstrahlen haben die Forscher zwei Schlüsselprinzipien entdeckt: Wachsen die Graphen-Streifen im Inneren der Kohlenstoffnanoröhrchen heran, geben die Röhren Größe und Dicke der winzigen Streifen vor und schützen sie vor Schädigungen durch den Elektronenstrahl. Indem sich zusätzlich Schwefel an die Graphen-Kanten bindet, wird die Bildung eines zweiten Kohlenstoffnanoröhrchens verhindert, der Graphen-Streifen kann in gewünschter Form wachsen.

„Mit den Ergebnissen unserer Arbeit beschreiten wir neue Wege in der Herstellung von Nanostrukturen. Schließlich werden für nanotechnologische Anwendungen Graphen-Streifen mit genau definierten Eigenschaften benötigt“, erklärt Ute Kaiser. Neben den Ulmer Forschern haben Chemiker der University of Nottingham und Dr. Andrey Chuvilin von der spanischen Forschungseinrichtung CIC nanoGUNE Consolider (zuvor Uni Ulm) zu der Veröffentlichung beigetragen.

Die zweite Publikation ist unter dem Titel „Reactions of the inner surface of carbon nanotubes and nanoprotrusion processes imaged at the atomic scale“ in Nature Chemistry erschienen. Im Fokus dieser Veröffentlichung stehen Prozesse innerhalb der beschriebenen Kohlenstoffnanoröhrchen. Bisher war man davon ausgegangen, dass im Inneren den Nanoröhrchen keine chemischen Reaktionen ablaufen. Dank hochauflösender Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskopie konnten die Ulmer Forscher nun das Gegenteil beobachten: Wird ein katalytisches Element, beispielsweise Rhenium, in die Röhrchen gegeben, bilden sich Ausstülpungen, die aus dem Röhren-Inneren herauswachsen.

Auf der Autorenliste stehen erneut Wissenschaftler der University of Nottingham und der Ulmer Elektronenmikroskopie sowie Professor Jannik Meyer, der nach seiner Zeit in Ulm jetzt an der Universität Wien forscht.

Die Zentrale Einrichtung Elektronenmikroskopie der Uni Ulm zählt mit ihren hochtechnologisierten Transmissionselektronen- sowie Focus Ion Beam-Mikroskopen (FIB) zu den angesehensten Zentren dieser Art.

Im Rahmen des Großprojekts SALVE werden neue Methoden und Gerätetechniken für atomare Abbildungen bei niedrigen Spannungen entwickelt. Weiterhin untersuchen die beteiligten Forscher Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahlen und diversen Materialien. SALVE wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Baden-Württemberg gefördert. Partner im SALVE-Projekt sind die baden-württembergischen Firmen Carl Zeiss AG und die Corrected Electron Optical Systems GmbH (CEOS).

A. Chuvilin, E. Bichoutskaia, M. C. Gimenez-Lopez, T. W. Chamberlain, G. A. Rance, N. Kuganathan, J. Biskupek, U. Kaiser, A. N. Khlobystov: Self-assembly of a sulphur-terminated graphene nanoribbon within a single-walled carbon nanotube. Nature Materials. DOI: 10.1038/nmat3082.

T. W. Chamberlain, J. C. Meyer, J. Biskupek, J. Leschner, A. Santana, N. A. Besley, E. Bichoutskaia, U. Kaiser, A. N. Khlobystov: Reactions of the inner surface of carbon nanotubes and nanoprotrusion processes imaged at the atomic scale. Nature Chemistry. DOI:10.1038/nchem.1115.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Ute Kaiser, Tel.: 0731/ 50-22950