Kurzfassung

Nanoröhrchen

Moritz Plötzing, Benedikt Lorbach, Meike Spiess

Die erst 1991 entdeckten Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben in Forschung und Industrie aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften für viel Aufsehen gesorgt. Auch wir waren von den nur ein bis zwei Nanometer breiten Röhren schnell fasziniert und wollten es schaffen, diese auch bei uns in der Schule zu erzeugen. Dazu probierten wir verschiedene Möglichkeiten aus, wie z.B. eine einfache Konstruktion aus Haushaltsgegenständen, in der wir mit Hilfe eines Lichtbogens zum Erfolg kommen wollten. Da uns hier die Ergebnisse aber nicht überzeugen konnten, erprobten wir auch eine chemische Methode in einer selbstgebauten CVD-Kammer. In diesem mit Acetylen gefüllten Glasbehälter ließen wir unsere ersten Nanotubes auf einem Siliziumbruchstück wachsen. Unsere Proben untersuchten wir mit einem Rasterelektronenmikroskop der RWTH Aachen. Ein Nachteil war allerdings, dass das von uns verwendete Gas eine große Gefahrenquelle darstellte. Außerdem war auf diesem Weg nur die Herstellung von den für uns weniger interessanten Multiwall-Nanoröhrchen möglich. Deswegen überlegten wir uns eine Möglichkeit um auch Singlewall-Carbon-Nanotubes zu erzeugen. Hierzu entwickelten und bauten wir eine neue Versuchskammer, in der wir in einer Schutzgasatmosphäre mittels eines Schweißgeräts einen Lichtbogen zündeten. Nachdem wir die Probleme beim Bau der Kammer gelöst hatten, mussten wir uns aber noch mit einem bisher unbeachteten, aber sehr wichtigen Aspekt beschäftigen: unserem Kohlenstoff. Zuerst verwendeten wir nur die Graphitelektroden aus der Lichtbogenlampe der Schule. Später probierten wir in unserer Kammer andere aus Kohlenstoff bestehende Materialien aus und stellten fest, dass sich nur reine Graphitstäbe eigneten. Zum Herstellen von einwandigen Nanoröhrchen mussten wir diesen jetzt noch Katalysatoren hinzufügen. Dazu verwendeten wir ein Nickel-Yttrium-Gemisch. Nach vielen Fehlversuchen schafften wir es, in unserer Lichtbogenkammer ein Kohlenstoffgewebe zu erzeugen und weitere Testreihen, in denen wir z.B. den Druck und das Mischungsverhältnis unserer Katalysatoren variierten, ließen uns unsere Versuche weiter optimieren. In der Zwischenzeit konnten wir auch mittels hochauflösender transmissionselektronenmikroskopischer Aufnahmen beweisen, dass unsere Proben aus Singlewall-Nanotubes bestehen. Allerdings wollten wir diesen Beweis auch einfacher an unserer Schule durchführen können. Zuerst arbeiteten wir daran, aus unseren Proben "Bucky Papers" herzustellen. Mit diesen hätten wir unser Ziel erreicht gehabt. Tatsächlich gelang es uns hier einige Erfolge zu erzielen, aber letztlich war der zeitliche Aufwand mit dieser Methode zu hoch. Mittlerweile ist es uns aber gelungen, eine einfachere Möglichkeit für den indirekten Nachweises zu finden. Hierzu benutzen wir einen handelsüblichen Kamerablitz. Im Gegensatz zu Graphitstaub oder Multiwall-Nanoröhrchen entzünden sich unsere Singlewall-Nanotubes, wenn man sie aus nächster Nähe anblitzt. Die letzte Aufgabe war es jetzt nur noch, die Synthese so anzupassen, dass unsere Versuche an jeder Schule auch ohne unsere Lichtbogenkammer durchgeführt werden können. Mit einer Konstruktion aus einem einfachen Blecheimer, einer Heliumflasche und einem Schweißgerät gelang es uns schließlich einen einfachen Aufbau zu entwerfen, mit dem man Singlewall-Nanotubes herstellen kann. Zwar reichen die Ergebnisse nicht an die unserer Lichtbogenkammer heran, doch haben wir somit einen brauchbaren Versuch entwickelt, der die Integration eines aktuellen Forschungsthemas in den Schulunterricht ermöglicht.

Versuchskammer, elektronenmikroskopische Aufnahme eines Nanoröhrchens, Nachweis von Singlewall-Nanoröhrchen
Nanoröhrchen
Miniforschung - St. Michael-Gymnasium Bad Münstereifel