Weltrekord mit Marke Eigenbau

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Added by 26. November 2016


 

Im Nano-Labor erstmals eindimensionale Kette aus 6.000 Wasserstoffatomen hergestellt

 

Der Festkörperphysiker Thomas Pichler konnte doppelwandige Nanoröhren in seinem Labor so „tunen“, dass darin prinzipiell unbegrenzt lange Ketten von Kohlenstoffatomen – sogenanntes Carbin – wachsen. Die Grenze des Wachstums dieses neuen Nanomaterials bildet die maximale Länge der kontrollierten Herstellung der geeigneten Nanoröhren, die heute bei eineinhalb Mikrometern liegt. Das entspricht einer Kettenlänge von maximal 6000 Wasserstoffatomen. Pichler ist ein Querdenker, der mit seiner Versuchsanordnung jetzt ein über 130 Jahre bestehendes Problem der Chemiker gelöst hat.

 

Sprechertext zur Sendung:

Thomas Pichlers große Leidenschaft gehört dem Kohlenstoff – vor allem dem in seiner reinsten Form als Feststoffkörper: Diamant, Graphen, Nanoröhrchen…

An der Wiener Universität leitet er das Institut für Electronic Properties of Materials. Pichler hat zweifellos eine kreative Ader, und so betreibt er hier im Labor auch seine Wissenschaft – da, wo die Physik auf die Chemie trifft.

Vor kurzem gelang ihm zusammen mit einem Post-Doc ein echter Durchbruch: Die Herstellung der letzten noch nicht nachgewiesenen Form des Kohlenstoffs, eine im Prinzip unbegrenzt lange eindimensionale Kette von Kohlenstoffatomen. Die Fachwelt nennt sie Carbin.

Das Problem bei der Herstellung im Labor: Kohlenstoff ist ein extrem reaktionsfreudiger Stoff, und je länger die Kette wird, desto komplizierter ist es, sie stabil zu halten. Manche Chemiker glaubten sogar, dass das überhaupt nicht möglich ist.
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
Wie es gehen könnte, damit befassten sich in den letzten 25 Jahren weltweit viele organische Chemiker.

Sie versuchten, die Kohlenstoffketten durch das Anhängen immer größerer chemischer Endgruppen synthetisch zu stabilisieren.

Trotz intensiver Bemühungen waren nur kleine Erfolge zu erzielen: 44 Kohlenstoffatome waren bisher das Ende der Fahnenstange.
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
Pichler konnte diesen Stoff jetzt bis auf rund 6.000 Kohlenstoffatome bändigen. Wie die Perlen auf einer Kette kann er sie wachsen lassen – mit einem ganz anderen, einem physikalisch geprägten Verfahren. Denn Pichler kommt aus der Welt der Festkörper- und der Oberflächenphysik. Er näherte sich der Carbin-Produktion über Versuchsanordnungen für die gezielte und optimierte Herstellung von Nanoröhren. Sie unter streng kontrollierten Bedingungen im Hochvakuum zu züchten, war sein Ziel.
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
Durch jahrelange Versuche ist es ihm gelungen, die grundlegenden Wachstumsprozesse solcher Nanostrukturen zu steuern: mit Druck- und Temperatur-Veränderungen.

Hier die Hochvakuumpumpe. Das organische Ausgangsmaterial, zum Beispiel Alkohol, sieht man in diesem Glasröhrchen. In diesem ersten Ofen wird es erhitzt und so in seine atomaren Bestandteile zersetzt und in den zweiten Ofen geleitet. Hier trifft das Gas auf Metallpulver und einen Katalysator. In diesem auf rund 800 Grad erhitzten Gemisch wächst nun eine Nanoröhre. Obwohl die physikalischen Wachstumsprozesse bis heute nicht ganz genau verstanden sind, kann Pichler dieses Wachstum heute schon kontrolliert steuern.

Seit etlichen Jahren ist bekannt: Im Inneren solcher doppelwandigen Nanoröhrchen entstehen manchmal ganz spontan kleine eindimensionale Kohlenstoffketten, die dann aber wieder schnell zerfallen: Das Phänomen faszinierte Pichler. Er wollte wissen, wie man die Nanoröhren tunen muss, damit darin diese Ketten besonders lange wachsen und stabil bleiben. Dass die chemische Fraktion an diesem Problem schon über hundert Jahre herumlaborierte, wusste er anfangs nicht einmal. Vielleicht war das sogar gut, es hätte sein Engagement möglicherweise gebremst.
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
Doch trotz aller Expertise – die Angelegenheit war, wie er in der Rückschau sagt, alles andere als einfach:
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
Pichler lebt in einer „Mangelgesellschaft“. Das fördert den Modus „Do it yourself“.
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
In seinen Experimentallabors findet man manch zweckentfremdete Utensilien aus der Alltagswelt, die hier eine neue, eine wissenschaftliche Bestimmung gefunden haben. Lüsterklemmen braucht normalerweise der Elektronikbastler, aber auch an der Front der Nano-Grundlagenforschung können sie hilfreich sein und für den richtigen Energiefluss sorgen. Alufolien braucht man nicht nur zum Kochen; hier dienen sie zur Wärmeisolation der Messanlage.

Dieser Mangel hat für Pichler aber auch einen Wert an sich, den er in seinem Institut längst zum Prinzip erhoben hat:
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
In diesem Labor geht es darum, die Proben für den wissenschaftlichen Nachweis spektroskopisch zu vermessen. Natürlich auch hier: alles Marke Eigenbau. Die Apparatur ist keine geschlossene Maschine, sondern legt ihre Innereien offen – und bietet daher überall schnellen Zugriff.

Wer wenig Ressourcen hat, der läuft leicht Gefahr, im Wissenschaftsbetrieb unterzugehen – es sei denn, er kann aus dem Reservoir der eigenen Erfahrungswelten schöpfen, hat genügend erfindungsreiche Einfälle – und natürlich auch Durchhaltevermögen. So einer ist Thomas Pichler.
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
Die Entwickler in der Chemie-Industrie glaubten Anfang des neuen Jahrtausends, mit den Nanoröhren ein Wundermaterial gefunden zu haben. Denn sie sind wahre Tausendsassas: können isolierend, halb leitend oder auch metallisch leitend sein. Die Visionen der Entwickler schienen grenzenlos: Nanoröhrchen für superleistungsfähige Handy-Batterien, für ultraschnelle Transistoren oder innovative Messsysteme. All das mit dem gleichen Material, den Nanoröhrchen, die ihre Fähigkeiten nur dank winziger Variationen in der atomaren Struktur ändern können.

Inzwischen hat sich diese Euphorie ziemlich abgekühlt. Der Hype ist vorbei.

Die hohe Flexibilität möglicher Eigenschaften ist produktionstechnisch ihr großes Problem: Denn das Material reagiert extrem sensibel auf kleinste Abweichungen. Die Folge: Was im Forschungslabor heute schon zum Standard gehört, stellt sich für die Massenproduktion als schwer beherrschbar heraus. Die Entwicklung dauert und kostet vor allem. Nicht jedes Unternehmen will solchen Aufwand betreiben. Nach nur drei Jahren ist beispielsweise Bayer Material Sciences 2013 aus der Entwicklung wieder ausgestiegen. Im Gegensatz dazu sind vor allem etliche asiatische Unternehmen am Thema dran geblieben – und der Markt beginnt sich jetzt zu entwickeln.

Jetzt mit Carbin in die Nanowelt 2.0? Wohin Pichlers lange Ketten industriell einmal führen könnten, bleibt vorläufig offen, denn:
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
Pichler selbst lässt die Frage, wie seine langen Carbin-Ketten künftig großtechnisch herstellbar werden, sowieso ziemlich kalt. Denn ihm geht es um etwas ganz anderes: um die Suche nach dem gänzlich Unerwarteten.
 
          O-Ton Thomas Pichler
 
 

Erstsendung: November 2016

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