How big is Kohlenstoffnanoröhre?

Eine Kohlenstoffnanoröhre ist eine winzige, hohle Röhre aus Kohlenstoffatomen, die in einem Sechseckmuster verbunden sind, wie die Schichten, aus denen Graphit besteht. Eine einwandige Nanoröhre, deren Wand ein Atom dick ist, ist typischerweise etwa 1 Nanometer breit. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Nanoröhren sind weit länger als breit; ihre Länge wird in Mikrometern, also Millionsteln eines Meters, gemessen.

Größe

Das 1 Nanometer des Explorers ist der Durchmesser einer typischen einwandigen Nanoröhre, gemessen quer zur Röhre. Die Breite ist von Röhre zu Röhre unterschiedlich. Eine Studie an 34 einwandigen Nanoröhren maß Durchmesser zwischen 0,7 und 1,2 Nanometern.

Mehrwandige Nanoröhren bestehen aus mehreren ineinander verschachtelten Röhren und sind deshalb breiter. Die von Sumio Iijima 1991 beschriebenen hatten 2 bis etwa 50 Wände und waren wenige bis einige zehn Nanometer breit.

Auch die Länge variiert. Die Studie an den 34 Röhren erfasste nur Röhren, die länger als 3 Mikrometer waren, sodass jede mindestens 2.500-mal so lang wie breit war.

Größenvergleiche

Etwa 80.000–100.000 einwandige Nanoröhren, nebeneinander gelegt, würden die Breite eines menschlichen Haares ergeben, das 0,08–0,1 Millimeter breit ist.
Ein Buckyball, eine geschlossene Kugel aus 60 Kohlenstoffatomen, ist etwa 1 Nanometer breit – etwa so breit wie eine typische einwandige Nanoröhre.
Wäre eine 1 Nanometer breite und 3 Mikrometer lange Nanoröhre so weit vergrößert, dass sie so breit wäre wie ein menschliches Haar, also 0,1 Millimeter, wäre sie etwa 30 Zentimeter lang – die Länge eines Lineals.

Wie Nanoröhren entdeckt wurden

Iijima berichtete am 7. November 1991 in der Fachzeitschrift Nature von Kohlenstoffnanoröhren. Er stellte sie mit einem elektrischen Lichtbogen her, einer Methode ähnlich der zur Herstellung von Buckybällen. An der negativen Elektrode des Lichtbogens wuchsen nadelförmige Röhren. Unter dem Elektronenmikroskop stellte sich jede Nadel als ein Bündel von 2 bis etwa 50 ineinander verschachtelten Röhren aus Kohlenstoffschichten heraus.

Die Sechsecke aus Kohlenstoffatomen winden sich in jeder Röhre spiralförmig um sie herum. Iijima merkte an, dass die Herstellung dieser Röhren darauf hindeutete, dass sich Kohlenstoffstrukturen in weit größerem Maßstab bauen ließen als Buckybälle.

1993 berichteten zwei Teams von einwandigen Nanoröhren. Iijima und Toshinari Ichihashi fanden Röhren mit etwa 1 Nanometer Durchmesser. D. S. Bethune und Kollegen, die dem Kohlenstoff Kobalt zusetzten, fanden Röhren mit etwa 1,2 Nanometern Durchmesser.

Eine einzelne Nanoröhre beobachten

Eine einzelne Nanoröhre ist viel zu dünn, um sie zu sehen, aber manche Arten geben ein Nahinfrarot-Leuchten ab. In einer Studie aus dem Jahr 2009 nutzten Forscher dieses Leuchten, um einzelne Nanoröhren in Wasser mit einem Fluoreszenzmikroskop zu filmen. Die Röhren bogen sich hin und her, während die sie umgebende Flüssigkeit sie zufällig hin- und herstieß – eine Bewegung, die Brownsche Bewegung genannt wird.

Aus diesem Biegeverhalten schlossen die Forscher, dass die Steifigkeit einer Nanoröhre mit der dritten Potenz ihres Durchmessers wächst. Eine doppelt so breite Röhre lässt sich achtmal so schwer biegen. Ihre im Verhältnis zur Breite enorme Länge, ihre Festigkeit und ihre elektrischen Eigenschaften machen Nanoröhren gut geeignet für den Einsatz in technischen Materialien und in der Medizin.