Nanoröhrchen: Je perfekter, desto glänzender

Houston (USA) – Nanoröhrchen – zusammengerollte, halbleitende feinste Kohlenstoffschichten – sind die „Wunderkinder“ der Chemie und Physik, weil sie die Eigenschaften manchen Materials stark verändern, wenn man sie untermischt. Das macht die Entdeckung von US-Forschern weithin interessant: Sie können am Fluoreszieren der Röhrchen erkennen, ob diese mehr oder weniger Strukturfehler haben. Bislang war nur bekannt gewesen, dass längere Rollen, nach einer Bestrahlung im nahen Infrarotbereich ein intensiveres Licht abgeben als kürzere. Die neuen Analysen mit Spektralfiltern zeigen, dass offenbar auch Fehler im Aufbau diese Fluoreszenz beeinflussen, berichtet das Team im Fachblatt „ACS Nano“. Nun will das Team herausfinden, wie die Defekte entstehen, damit sie sich künftig möglichst vermeiden lassen.

„Ich bezeichne diese Röhrchen als Fluoreszenz-Versager: Es gibt ein paar Helle, die zu ihrem ganzen Potenzial erstrahlen, doch die meisten sind bloß Faulenzer und sind nur halb so hell oder nur 20 Prozent so hell, wie sie sein sollten“, erklärt Bruce Weisman, Chemiker an der texanischen Rice University. Sein Team hatte die Eigenschaften einzelner der halbleitenden einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (single-walled carbon nanotubes, SWCNT) näher untersucht. Zunächst zeigte sich: Nicht alle Röhrchen bestimmter Länge leuchten gleich hell, stattdessen variiert die Leuchtkraft beträchtlich. Allerdings können sie jeweils höchstens eine bestimmte Leuchtintensität erreichen: „Diese maximale Helligkeit ist proportional zur Länge“, erklärt Weisman, „und es lässt darauf schließen, dass diese Röhren nicht durch Strukturfehler beeinträchtigt werden.“ Fehler im Atomgitter der nur ein Atom dicken Kohlenstoffschichten oder auch chemische Reaktionen mit Fremdatomen dürften die verringerte Leuchtkraft eines Röhrchens verursachen.

Der Durchbruch gelang Weismans Mitarbeitern Tonya Leeuw Cherukuri und Dmitri Tsyboulski, indem sie mehr als 400 einzelne Nanoröhrchen einer bestimmten physikalischen Struktur namens (10,2) zunächst aus der Masse isolierten und dann einzeln analysierten. Jeweils eine bis zwei untersuchten sie in einer Lösung, vermaßen deren Leuchtintensität und Länge unter einem speziellen Fluoreszenzmikroskop. Bereits seit rund zehn Jahren ist bekannt, dass SWCNTs nach der Infrarotbestrahlung fluoreszieren, allerdings war die nähere Untersuchung kompliziert, weil die Röhren aufgrund der Herstellungsweise stets in großen ungeordneten Mengen mit unterschiedlichen Längen und Dicken vorliegen. So gab es bislang auch kaum Erkenntnisse über die Fluoreszenz einzelner Nanoröhren, obwohl dies unter anderem helfen würde, die Spektrometermessungen grober Mengen zu interpretieren.

Als nächstes will Weismans Team herausfinden, welche äußeren Einwirkungen die Struktur der winzigen Kohlenstoffrollen beeinflussen und wie sich Defekte bei der Herstellung vermeiden lassen. Mittlerweile ist der Untersuchungsaufbau verbessert und automatisiert, so dass sich mehrere Dutzend SWCNTs zeitgleich und damit wesentlich schneller untersuchen lassen. Damit lässt sich die Qualität verschiedener Produktionsmethoden für Nanoröhrchen untersuchen und vergleichen und möglicherweise Fehler verursachende Schritte ausschließen, so Weismann: „Wir wollen die Qualitätsverteilung verändern und kein Röhrchen zurücklassen, wir wollen sie alle an die Spitze bringen.“