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Konkurrenz für Kevlar

Forscher aus den USA und China haben ein völlig neues Material aus reinem Kohlenstoff entdeckt. Es besteht aus Röhren mit porösen Wänden und einem Durchmesser, der mehr als tausendmal so groß ist wie der von Kohlenstoffnanoröhrchen. Das verleiht ihm ungewöhnliche Eigenschaften: Seine Zugfestigkeit ist größer als die herkömmlicher Kohlefasermaterialien und es ist biegsam wie Metall. Zudem ist es extrem leicht, hat das Team um Huisheng Peng von der Tongji-Universität in Shanghai gemessen. Eingesetzt werden könnte das neue Material beispielsweise für schusssichere Westen.

Entstanden ist das ungewöhnliche Material durch Kondensieren eines Kohlenstoffdampfes, der sich beim Erhitzen einer Mischung von Ethylen und Paraffinöl bildet. Die Röhrchen, aus denen es besteht, haben einen Durchmesser zwischen 40 und 100 Mikrometern (Tausendstel Millimetern) und Längen von zum Teil mehreren Zentimetern. Damit sind sie um ein Vielfaches größer als die nur wenige Millionstel Millimeter dicken Kohlenstoffnanoröhren, was die Forscher zu dem Namen „Kohlenstoffriesenröhren“ inspirierte.

Besonders ungewöhnlich ist die Beschaffenheit der Wände dieser Riesenröhren: Sie sind 1,4 Mikrometer dick und aufgebaut wie ein Schwamm, bei dem zylinderförmige Hohlräume innen und außen von Schichten aus grafitartigem Kohlenstoff umschlossen werden. Zwar seien auch bereits zuvor poröse Materialien aus Kohlenstoff bekannt gewesen, jedoch noch nicht einer derartigen Faserstruktur. Zudem sind sie bedeutend stabiler: Sie besitzen nicht nur eine sehr gute Zugfestigkeit, sie brechen auch nicht, wenn sie gebogen werden, sondern verformen sich vielmehr wie Metalldrähte.

Die schwammartigen porösen Wände und der röhrenförmige Aufbau sorgen auch für die extrem geringe Dichte des Materials. So wiegt ein zuckerwürfelgroßes Stück lediglich ein Zehntel Gramm. Zum Vergleich: Die gleiche Menge der ebenfalls als ungewöhnlich leicht geltenden herkömmlichen Kohlefasermaterialien wiegt mit zwei Gramm zwanzigmal so viel. Die Forscher halten die Fasern dank der Kombination aus Stärke, Biegsamkeit und Leichtigkeit für optimal, um daraus Stoffe zu weben. Diese könnten beispielsweise für sehr effiziente und dabei leichte kugelsichere Westen eingesetzt werden. Den ersten Messungen zufolge könnte das Material dabei sogar besser abschneiden als das bisher verwendete Kevlar.

Wie und warum sich die Kohlenstoffatome in einer so komplexen Struktur anordnen, können die Forscher bislang allerdings noch nicht sagen. Sie vermuten jedoch, dass sich die porösen Schichten ähnlich wie bei den Nanoröhrchen zuerst in einer Ebene zusammenlagern und diese sich dann einrollt, um die Röhren zu bilden.

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Nature, Onlinedienst Originalarbeit der Forscher: Huisheng Peng (Tongji-Universität, Shanghai) et al: Physical Review Letters, Bd. 101, Artikel 145501 ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
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