Auffädelung von Nanodiamanten

Im Innenraum von Kohlenstoffnanoröhren gezielt ein lineares Polymer aus nanodiamantenartigen Bausteinen zu gewinnen – das gelang Forschern aus Japan, Deutschland und den USA. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, ist diese templatbasierte Polymerisation ausgezeichnet dafür geeignet, neue eindimensionale Nanomaterialien zu entwickeln.

Materialien in Nanogrößenordnung wie etwa Nanodrähte haben besondere Eigenschaften und können sich völlig unterschiedlich zum festen Material verhalten. Eindimensionale Nanostrukturen herzustellen, ist aber eine große Herausforderung.

Hisanori Shinohara von der Nagoya-Universität in Japan und seine Mitarbeiter haben nun in einer internationalen Kooperation eine Methode entwickelt, wie man Kohlenstoffnanoröhren als Reaktionsgefäß und gleichzeitig Templat nutzt, um ein linear-polymeres Nanomaterial herzustellen. Die Röhre muss einen sehr kleinen Innendurchmesser haben, damit die zu polymerisierenden Vorstufenmoleküle auf natürliche Weise die eindimensionale Ausrichtung der Röhre einnehmen, so die Idee.

Größere Durchmesser würden die Polymerisation unkontrolliert machen. Mit dieser Methode gelang es Shinohara und seinen Kollegen nun, lediglich durch Erhitzen auf bestimmte Temperaturen in Gegenwart eines Eisenkatalysators ein lineares Polymer aus nanodiamantenartigen Bausteinen herzustellen. Die Forscher betonen: „Diese hier vorgestellte Herstellungsmethode für eine nanodiamantenartige Polymerkette unterscheidet sich grundsätzlich von den gängigen chemischen Ansätzen.“

Als Vorstufe und Polymerbaustein verwenden die Forscher Diamantan, eine Käfigstruktur aus zehn Kohlenstoffatomen. Dieses Molekül wurde auf beiden Seiten bromiert, sodass sich bei Zugabe von Nanopartikeln aus Eisen die Bromatome wieder abspalten und ein Diamantan-Diradikal entsteht. Bei einer normalen chemischen Polymerisation können diese Radikale von den umgebenen Molekülen Wasserstoffatome abspalten und somit die Polymerisation beenden.

„Wir waren sehr überrascht, dass die Radikale resistent waren und innerhalb der Kohlenstoffnanoröhren nur gegenseitig rekombinierten“, schreiben die Autoren. Und: „Abhängig vom Innendurchmesser der Kohlenstoffnanoröhren reagieren die eingedrungenen Moleküle entweder zu einer linearen Polymerkette oder zu amorphem Kohlenstoff“.

In den Nanoröhren, die nur einen Nanometer Durchmesser aufwiesen, bildete sich somit ein lineares Polymer aus diamantenartigen Bausteinen. Die Struktur wurde, wie in den Abbildungen des Artikels eindrucksvoll zu sehen ist, elektronenmikroskopisch sichtbar gemacht.

Als mit Spaghetti gefüllte Makkaroni, so könnte man diese Doppelstruktur auch bezeichnen – und das innere Polymer lässt sich durch Ultraschallbehandlung in Lösung wieder freilegen, wie die Gruppe weiter berichtet. Der große Vorteil der neuen templatgesteuerten Methode ist die einfache und spezifische Ausbildung eines eindimensionalen Nanopolymers. Das wird in den Materialwissenschaften auf großes Interesse stoßen.

Angewandte Chemie: Presseinfo 35/2015

Autor: Hisanori Shinohara, Nagoya University (Japan), http://nano.chem.nagoya-u.ac.jp/

Permalink to the original article: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201504904

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