Wenn die PhysikerInnen der Arbeitsgruppe "Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation" eine neue Ladung Kohlenstoff-Nanoröhren bestellen, erhalten sie ein kleines Häufchen schwarzen Pulvers, dem man sein Leistungsvermögen gar nicht ansieht. Sieht man genauer hin - und zwar mit Hochleistungsmikroskopen -, dann sind das Kohlenstoffmoleküle, die die Form eines Röhrchens haben. Sie haben einen Durchmesser von ungefähr einem Nanometer und eine Länge von typischerweise einem Mikrometer, so dass bereits Quanteneffekte zu tragen kommen können, durch die ganz außergewöhnliche Materialien für unsere Welt entstehen. Um das Prinzip solcher Effekte zu demonstrieren, müssen die Nanoröhren geeignet präpariert werden. Mögliche Anwendungen der Röhrchen reichen von besonders leistungsfähigen elektronischen Bauteilen bis zu auffallend starken Stoffen.
"Eine Herausforderung im Umgang mit diesen Materialien ist, dass man es bisher noch nicht geschafft hat, eine einzige, vorher festgelegte Art von Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen", sagt Dipl.-Phys. Dr. Hendrik Ulbricht von der Quanten-Arbeitsgruppe rund um Univ.-Prof. Dr. Markus Arndt. Ganz grob kann man zwischen zwei Röhrentypen, metallischen und halbleitenden, unterscheiden. Für Anwendungen will man aber nur das eine oder das andere, kein Durcheinander. Zur Lösung des Problems haben Hendrik Ulbricht und seine Gruppe eine spannende Idee.
Innovative Idee
Prinzipiell sind zwei Herangehensweisen zur Trennung der Röhrchen denkbar: Entweder man schafft es, die Herstellungsweise so zu verändern, dass nur eine bestimmte Sorte von Nanoröhren entsteht, oder man sortiert die Teilchen im Nachhinein. Hendrik Ulbricht übt sich an letzterem, also am Sortieren. Das ist ungefähr so aufwändig, wie in einem Sandkasten den Sand nach Farbe zu ordnen, nur mit dem Unterschied, dass Sandkörner noch tausende Male größer sind als die Nanoskala. Es braucht daher eine gefinkelte Technik. "Unsere Idee ist, die Nanoröhren in der Gasphase zu trennen", erklärt Hendrik Ulbricht und ergänzt: "Indem man einen Strahl freifliegender Nanoröhren erzeugt, kann man wegen der unterschiedlichen Polarisierbarkeit der metallischen und der halbleitenden Röhren die beiden Sorten auseinanderlenken."
Interferometrie
Möglich ist das durch die Expertise der Arbeitsgruppe von Markus Arndt, die sich mit der Interferometrie von großen Molekülen beschäftigt. Bei dieser Messmethode werden Objekte durch einen Materiewellen-Interferometer geschickt. Entsprechend der Quantenphysik hat jedes Teilchen auch Welleneigenschaften. Was unter dem Mikroskop ein punktförmiges Teilchen ist, kann im Interferometer eine Welle sein. Wegen der Welleneigenschaften beugt sich das Objekt an den Materiegittern, aus denen ein Interferometer besteht. Die Beugungsmuster können durch das Anlegen von elektrischen Feldern verändert werden. Diese Verschiebung funktioniert aufgrund der Polarisierbarkeit der Moleküle, dadurch kann man Moleküle im Interferometer ablenken. "Das funktioniert auch noch, wenn man eine rein klassische 3-Gitteranordung benutzt, wie im Fall der Nanoröhren", sagt Hendrik Ulbricht. Um Quanten-Interferenz handelt es sich dabei aber nicht; diese ist mit so großen Objekten noch nicht möglich, wie Arndts Gruppe in einem Fachartikel für "Nanotechnology" vor kurzem ausführte.
"Bei den Kohlenstoff-Nanoröhren ist es so, dass sich die metallischen und halbleitenden Röhrchen wesentlich in ihrer Polarisierbarkeit unterscheiden", sagt Hendrik Ulbricht. Weil die metallischen polarisierbarer sind, werden sie im Interferometer viel stärker abgelenkt. "Wenn man dann die Gitter geschickt aufstellt", erklärt der Physiker, "kommen am Ausgang beispielsweise nur die metallischen Nanoröhren heraus, die man schließlich auffangen kann."
Die Nanoröhren fliegen lehren
Soweit eine vereinfachte Veranschaulichung, aber theoretisch als auch praktisch ist alles viel komplizierter. Ein großes Problem ist, dass die kleinen Röhrchen gerne aneinanderkleben und in Bündeln auftreten. Eine Gruppe der Rice University um Nobelpreisträger Richard Smalley hat im Jahr 2002 ein Verfahren entwickelt, diese Bündel aufzubrechen; darauf baut die Gruppe der Universität Wien nun auf. Allerdings gilt es zu garantieren, dass sich die aufwändig getrennten Nanoröhren im freien Flug nicht wieder zusammentun.
Nicht ganz leicht ist es außerdem, einen Strahl freifliegender Nanoröhren zu erzeugen. Hier hat die Gruppe aber bereits einen Lösungsansatz: Die aus den Bündeln herausgelösten Nanoröhren werden mitsamt der wässrigen Lösung, die für ihre Trennung notwendig war, mithilfe von flüssigem Stickstoff auf eine Kupferplatte gefroren. Das Eis bildet eine Matrix, in der die einzelnen Nanoröhren fixiert sind. Dann kommt die Kupferplatte in eine Vakuumkammer und man schießt einen gepulsten Laser darauf, der die Matrix schmilzt und die Nanoröhren freisetzt. Mit einem Gasjet pusten die ForscherInnen in der Folge über die Probe und daher fliegen die Teilchen in eine Richtung. Für diese Innovation hat die Universität Wien gerade ein internationales Patent angemeldet.
Die Technik zur Manipulation von Kohlenstoff-Nanoröhren wird Hendrik Ulbricht ab Herbst 2008 an der Universität Southampton, UK, weiterentwickeln, wo ihm eine Forschungsstelle angeboten wurde. (hh) |
