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Aerographit

07.08.2012

Ein Forscherteam aus Hamburg und Kiel machte bei Experimenten mit winzigen Kohlenstoffröhrchen eine revolutionäre Entdeckung. Quasi durch Zufall entstand das leichteste Material der Welt, ein Kohlenstoffgeflecht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, äußerst geringer Dichte und enormer Stabilität, von den Forschern Aerographit genannt. Das pechschwarze Wunder verspricht vielfältige Einsatzmöglichkeiten.









Zufällige Entdeckung

Eigentlich führten die drei Materialwissenschaftler, Prof. Karl Schulte von der Universität Hamburg-Harburg, sein Doktorand Matthias Mecklenburg und Prof. Rainer Adelung von der Universität Kiel, ihre Experimente an Kohlenstoffnanoröhren nicht mit dem Ziel durch, ein neues Material zu entwickeln. Bei dem Versuch, der unerwartet zur Entstehung von Aerographit führte, sollte untersucht werden, wie pulverförmiges Zinkoxid auf die Anreicherung mit Kohlenstoffnanoröhren reagiert.

Die Herstellung

Dafür wurde zunächst durch enorme Hitze das Zinkoxid kristallisiert, wodurch eine verzweigte Struktur entstand. Als kohlenstoffhaltiges Gas und Wasserstoff hinzugegeben wurden, lagerte sich der Kohlenstoff auf den feinen Verästelungen des Zinkoxids ab; gleichzeitig reagierte der Wasserstoff mit dem im Zinkoxid enthaltenen Sauerstoff, wodurch das Zink gasförmig wurde. Als dann Wasserstoff und Zink als Gase entwichen, blieben nur die Kohlenstoffhüllen übrig, die das vorher feste Zinkoxid umschlossen hatten.

Adelung vergleicht das Geflecht mit Efeu, der einen Baumstamm umschließt, wonach der Baumstamm – also das Zink - entfernt würde und nur der Efeu übrig bliebe.

Ein von Efeu umschlossener Baumstamm
Ein von Efeu umschlossener Baumstamm (Foto: Lara604, flickr)

Das Ergebnis besteht zu mehr als 99,9% aus Luft. Tatsächlich hält nur das Gewicht der Luft im Inneren den Stoff davon ab, einfach davonzufliegen, denn mit einer Dichte von gerade mal 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter ist es sogar ein ganzes Milligramm leichter als Luft. Damit ist Aerographit der leichteste Stoff der Welt, viermal leichter als der bisherige Rekordhalter. Zum Vergleich: Styropor hat eine Dichte von 15 Milligramm pro Kubikzentimeter, also das 75-Fache!

Die chemische Zusammensetzung von Polystyrol (Styropor)
Die chemische Zusammensetzung von Polystyrol (Styropor

Aerographit ist besonders belastbar

Seine geringe Dichte ist aber nicht die einzige Eigenschaft, die Aerographit für die Wissenschaftler interessant macht.

Das Geflecht ist extrem belastbar, es lässt sich zu 95% komprimieren und dann wieder in den ursprünglichen Zustand ausdehnen. Im Gegensatz zu anderen Materialien, die beim Zusammenpressen mürbe werden, wird Aerographit durch diesen Prozess sogar noch fester und stabiler. Auch seine hohe Toleranz gegenüber Zugbelastung, der viele Stoffe sehr leicht nachgeben, macht es zu einer wichtigen Entdeckung.

Hinzu kommen hervorragende elektrische Leitfähigkeit, die unter Umständen auch die von Kupfer übersteigt, wasserabweisende Oberfläche und eine undurchsichtige tiefschwarze Färbung, die sich darauf zurückführen lässt, dass der Stoff das Licht beinahe komplett verschluckt, anstatt es zu reflektieren.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Schulte sieht das Potential für ein weites Anwendungsfeld des neu entwickelten Stoffes.

So könnten beispielsweise Kunststoffe, die keinerlei Leitfähigkeit besitzen, mit Aerographit beschichtet werden, um unerwünschte statische Aufladungen zu verhindern.

Besonderes Potential bestünde bei der Verwendung in neuartigen Batterien, da das belastbare Material ohne Probleme die enorme Kraft aushalten könne, die bei der Aufladung mit Strom auftrete, so die Forscher. Mit Aerographit hergestellte Batterien wären besonders leicht und würden sich gut für E-Bikes und Elektroautos eignen. Hierdurch könnte der neue Stoff also auch zur Weiterentwicklung umweltfreundlicher Transportmittel beitragen.

Ein E-Bike der US-Botschaft und Geneva
Ein E-Bike der US-Botschaft und Geneva

Ein Elektroauto wird mit Strom aufgeladen
Ein Elektroauto wird mit Strom aufgeladen (Foto: Manfred Wassmann, flickr)

Wissenschaftler können sich zudem vorstellen, das Material in Luft- und Raumfahrt, speziell Satellitentechnik, einzusetzen, da dort verwendetes Material enormen Vibrationen standhalten muss.

Der GPS Satellit Navstar 2
Der GPS Satellit Navstar 2

Möglich ist unter Umständen sogar eine Anwendung in der Luft- und Wasserreinigung, wo das Aerographit Schadstoffe durch elektrochemische Zersetzung abbauen könnte, oder in der Medizin, z.B. in verschiedenen Implantaten.

Ein explantierter SSIR Herzschrittmacher der Firma Guidant
Ein explantierter SSIR Herzschrittmacher der Firma Guidant (Foto: J. Heuser)

Auf welchen Gebieten der revolutionäre Stoff letztendlich zum Einsatz kommt, kann jedoch noch nicht mit Sicherheit gesagt werden. Schließlich wurde er erst im Juli dieses Jahres vorgestellt. Momentan wird sein Potential für verschiedene Verwendungsmöglichkeiten erforscht. Bis Aerographit seine Anwendung in der industriellen Produktion findet, können allerdings noch bis zu 30 Jahre vergehen.

Eines lässt sich zumindest vorab sagen: das neu entdeckte Material wird sehr günstig zu produzieren sein. Adelung hält eine Herstellung in Kilogramm-Mengen für leicht zu realisieren, da keine der Ausgangssubstanzen teuer sei.



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