Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren, kurz Kohlenstoffnanoröhren oder CNTs, sind röhrenförmige Nanostrukturen, die aus Graphen bestehen und aus Kohlenstoffatomen in hexagonaler Anordnung aufgebaut sind. Sie kommen als einwandige Röhren (SWNT) und als mehrwandige Röhren (MWNT) vor. Typisch sind Durchmesser im Nanometerbereich und Längen im Mikrometer- bis Millimeterbereich. Die Struktur wird durch den Chiralitätsvektor (n,m) beschrieben; Armchair-Konfigurationen (n = m) gelten oft als metallisch, während Zigzag (m = 0) und andere chirale Anordnungen semiconducting oder metallisch sein können. Die elektronischen Eigenschaften hangen stark vom (n,m) ab.

Die Herstellung erfolgt vorwiegend durch Bogenentladung, Laserverfahren (Laserablation) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD). CVD ermöglicht das Wachstum auf Substraten und bessere Skalierbarkeit. CNTs weisen außerordentlich hohe mechanische Festigkeit und ein hohes Zugmodul auf und besitzen eine geringe Dichte. Elektrische Leitfähigkeit variiert je nach Struktur: SWNT können entweder metallisch oder halbleiterisch sein, MWNT zeigen häufig metallische Eigenschaften. Die thermische Leitfähigkeit entlang der Röhrenachse gehört zu den höchsten bekannten in Festkörpern.

Anwendungen umfassen Verbundwerkstoffe zur Leichtbauverstärkung, elektronische Bauteile und Kontakte, flexible Elektronik, Energiespeicher wie Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien, sowie Sensoren und Katalysatorträger. Herausforderungen sind Reinheit und Sortierung der CNTs (Unterscheidung von metallischen und semiconducting Typen), Dispersion in Matrizes, Kosten und Skalierbarkeit. Umwelt- und Gesundheitsaspekte gewinnen an Bedeutung, weshalb Forschung verstärkt an funktionalisierter Oberflächenmodifikation, sicheren Handhabungs- und Standardisierungs­maßnahmen arbeitet.