Winzige Nanoröhrchen bauen riesigen Druck auf

Foto: Eine Knoblauchpresse

"Die Bedeutung dieses Experiments besteht darin, dass es erstmals möglich ist, die Verformung einzelner Metallkristalle mit Abmessungen im Nanometerbereich direkt zu untersuchen", erläutert Prof. Dr. Florian Banhart von Institut für Physikalische Chemie von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Die Experimente zeigten, dass die hohe Stabilität von Nanoröhrchen auch dann erhalten bleibt, wenn Kohlenstoffatome in den graphitischen Lagen fehlen. Die Experimente wurden in einem hochauflösenden Elektronenmikroskop durchgeführt, wo mit dem hochenergetischen Elektronenstrahl Kohlenstoffatome aus den zylindrischen Graphitschalen herausgeschlagen werden können.

Es wurde beobachtet, dass die hohlen Graphitzylinder unter Elektronenbestrahlung schrumpfen, aber nicht zerstört werden. Dies kann erklärt werden: Leerstellen im Graphitgitter haben eine unerwartet hohe Beweglichkeit bei den Temperaturen des Experiments (ca. 600°C) und können sich somit zu Doppelleerstellen vereinigen. Diese Doppelleerstellen sind jedoch instabil und kollabieren durch Schließen der offenen Bindungen, so dass wieder eine geschlossene Graphitlage entsteht.

Diese besteht nicht mehr nur aus Sechserringen sondern enthält dann auch Fünfer- oder Siebenerringe. Die Graphitstruktur heilt sich somit selbst, wenn Atome fehlen, und behält auch ihre hohe Reißfestigkeit. Allerdings nimmt ihre Oberfläche ab, so dass die zylindrisch geschlossenen Graphithüllen kontrahieren.

Sind die Röhrchen nun nicht leer, sondern mit anderen Materialien gefüllt, sollte man erwarten, dass ein Schrumpfen der Röhrchen nicht ohne weiteres möglich ist. In den Experimenten wurde aber beobachtet, dass die Kontraktion der Röhrchen so heftig ist, dass die eingeschlossenen Metallkristalle massiv deformiert und schließlich aus den Röhren in Längsrichtung herausgequetscht werden. Rechnungen zeigen, dass in den kollabierenden Nanoröhrchen bei einem solchen Experiment Drücke von bis zu 400.000 Atmosphären in radialer Richtung auftreten können. Dies ist bei weitem genug, um auch harte Materialien zu verformen.

COMPAMED.de; Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz