Der Weg ist das Ziel

Hamburger und Kieler Forscher entdeckten en passant das leichteste Material der Welt

18.07.2012

Professor Karl Schulte (links) und Doktorand Matthias Mecklenburg vom Institut für Verbundwerkstoffe.
Professor Karl Schulte (links) und Doktorand Matthias Mecklenburg vom Institut für Verbundwerkstoffe.
Foto: CAU/Claudia Eulitz

"Jubeljauchzend" eilte Matthias Mecklenburg zu Professor Karl Schulte. Der Grund für seine Euphorie: Der Nachwuchswissenschaftler hatte gerade unter dem Mikroskop eine Veränderung im untersuchten Material entdeckt, die den Doktoranden des Hamburger Landesexzellenzclusters "Integrated Material Systems" Bahnbrechendes ahnen ließ. Das war an einem Septembertag 2010. In dieser Woche nun haben der Doktorand und sein Doktorvater Professor Karl Schulte gemeinsam mit ihren Kollegen vom Wissenschaftler-Team um Professor Rainer Adelung von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) den leichtesten Werkstoff der Welt der Welt vorgestellt: das "Aerographit." Die sensationellen Forschungsergebnisse der Hamburger und Kieler Wissenschaftler ist die Titelgeschichte in der Fachzeitschrift "Advanced Materials" (3. Juli), und macht seitdem auch in den Medien bundesweit Schlagzeilen. Das Aerographit könnte nützlich sein für Elektroautos und E-Bikes, auch der Einsatz in der Luftfahrt-und Satellittenelektronik und zur Wasserreinigung ist denkbar.

Zufall oder Ergebnis gezielter Suche? "Wir waren auf der Suche nach dreidimensional vernetzten Kohlenstoffstrukturen, und dabei entdeckten wir dieses Material", sagt Schulte. Der renommierte Materialforscher gehört zum Kreis der Wissenschaftler, die auch in dem im Mai von der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der TUHH genehmigten Sonderforschungsbereich "Maßgeschneiderte multiskalige Materialsysteme" grundlegend an innovativen Werkstoffen forschen.

"Das neue Material besteht zu 99,99 Prozent aus Luft", sagt Schulte über den Aerographit, dessen feines Gitternetz aus einer graphitischen Struktur besteht. Mit 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter ist dieses Netzwerk aus porösen Kohlenstoffröhrchen, die dreidimensional auf Nano- und Mikroebene ineinander verwachsen sind, 75-mal leichter als Styropor und hält trotzdem eine Menge aus. Während leichtgewichtige Materialien üblicherweise Druck aber nicht Zug aushalten können, zeichnet sich das Aerographit durch hervorragende Stabilität bei Druck- und Zugbelastung aus. "So lässt es sich um bis zu 95 Prozent komprimieren und wieder in die ursprüngliche Form auseinander ziehen", sagt der Kieler Professor Rainer Adelung: Während andere Materialien durch derartige Belastungen zunehmend schwächer und instabiler werden, wird das Aerographit bis zu einem bestimmten Grad sogar fester, und damit stärker als vorher, also stabil. Außerdem ist der Aerographit elektrisch leitfähig. Durch all diese Eigenschaften sowie wegen seiner geringen Dichte hängt das Kohlenstoffmaterial alles bisher Dagewesene ab. Noch nicht genug der Superlative. Der pechschwarze Aerographit absorbiert fast vollständig Lichtstrahlen. "Man könnte sagen, es erzeugt das schwärzeste Schwarz", sagt der Prof. Dr. -Ing. Karl Schulte.

"Unsere Entwicklung löst in Wissenschaftskreisen rege Diskussionen aus. Das Aerographit ist mehr als viermal leichter als der bisherige Weltrekordhalter", sagt Nachwuchswissenschaftler Matthias Mecklenburg. Dieses vor einem halben Jahr vorgestellte Nickel-Material, das bis zu der aktuellen Publikation als leichtestes Material galt, bestand zwar ebenfalls aus einem winzigen Röhrensystem. Allerdings hat Nickel von vornherein ein höheres Atomgewicht. "Wir können dazu noch Röhren herstellen, die aus porösen Wänden bestehen, und dadurch extrem leicht sind", ergänzt Arnim Schuchardt, Ko-Autor und Doktorand an der CAU. Die atomare Struktur des Materials konnten die Kieler Analytiker Professor Lorenz Kienle und Dr. Andriy Lotnyk am Transmissionselektronenmikroskop entschlüsseln.

"Man kann sich das Aerographit wie ein schnell wachsendes Efeu-Geflecht vorstellen, das sich um einen Baum windet, wobei der Baum selbst entfernt wird", erklärt Adelung den Herstellungsprozess. Der Baum ist ein so genanntes Opfer-Templat, also ein Mittel zum Zweck. Das CAU-Team, bestehend aus Arnim Schuchardt, Rainer Adelung, Yogendra Mishra und Sören Kaps, nutzte für die Herstellung des Templats ein pulverförmiges Zinkoxid. Dieses haben sie durch Erhitzen in einem 900 Grad Celsius heißen Ofen in eine kristalline Form gebracht. In der weiteren Bearbeitung stellen die Kieler Materialwissenschaftler eine Art Tablette her. In ihr bildet das fertige Zinkoxid Mikro- und Nanostrukturen aus, genannt Tetrapoden (siehe zum Beispiel Abbildung Nr. 4), die sich gegenseitig durchdringen und damit die einzelnen Partikel zu der porösen Tablette fest verbinden. Die Tetrapoden sind das Netzwerk, auf dessen Basis das Aerographit entsteht.

Matthias Mecklenburg, Yogendra Kumar Mishra, Arnim Schurchardt, Lorenz Kienle, Karl Schulte, Sören Kaps, Rainer Adelung. (nicht im
Matthias Mecklenburg, Yogendra Kumar Mishra, Arnim Schurchardt, Lorenz Kienle, Karl Schulte, Sören Kaps, Rainer Adelung. (nicht im Bild: Mitautor Andriy Lotnyk).
Foto: CAU/Claudia Eulitz

Im nächsten Schritt kommt das tablettenförmige Material in den 760 Grad Celsius heißen Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung an der TUHH. "In einer strömenden, mit Kohlenstoff angereicherten Gasphase wird das Zinkoxid von einer nur wenige Atomlagen dicken Graphitschicht ummantelt, wodurch die verwachsene Netzwerkstruktur des Aerographit gebildet wird. Der gleichzeitig zugeführte Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff des Zinkoxid. Wasserdampf und Zink entweichen als Gas", sagt Schulte. Übrig bleibt die typisch vernetzte und röhrenförmige Kohlenstoffstruktur. TUHH-Nachwuchswissenschaftler Mecklenburg: "Je schneller wir das Zink in unserem Prozess herausholen, desto löchriger sind die Wände der Röhren und desto leichter wird das Material. Es gibt da noch viel Spielraum." Und sein Kieler Kollege Schuchardt ergänzt: "Das Schöne ist, dass wir ganz gezielt die Aerographit-Eigenschaften beeinflussen können: Die Form der Template hier in Kiel und den Abscheidungsprozess in Hamburg stimmen wir ständig aufeinander ab."

Dank der besonderen Materialeigenschaften des Aerographits könnte es beispielsweise in Li-Ionen-Batterien ideal angepasst werden. Das heißt, dass nur noch eine minimale Menge Batterieelektrolyt eingesetzt werden muss, was zu einer wichtigen Gewichtsreduktion bei den Batterien führen soll. Diese Verwendung skizzierten die Autoren bereits in der kürzlich veröffentlichten Publikation. Einsatzmöglichkeiten für diese kleineren Batterien können Elektroautos oder E-Bikes sein. Damit trägt das Material unter anderem zur Entwicklung umweltfreundlicher Transportmittel bei.

Weitere Anwendungen sehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darin, mithilfe des Aerographits nichtleitfähige Kunststoffe elektrisch leitfähig zu machen, ohne, dass diese an Gewicht zunehmen. Damit ließen sich statische Aufladungen, die man aus dem Alltag kennt, vermeiden.

Die Zahl zusätzlicher Anwendungsmöglichkeiten für das zurzeit leichteste Material der Welt ist nur durch die Vorstellungskraft der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler begrenzt. Bereits nach dem Bekanntwerden des Aerographits sprühten auch bei Kolleginnen und Kollegen unterschiedlichster Fachbereiche die Ideen. So wird ein Einsatz in Luftfahrt- und Sattelitenelektronik in Erwägung gezogen, denn diese muss besonders große Vibrationen aushalten können. Oder auch in der Wasserreinigung verspricht das Material großes Potenzial. Es könnte als Sorptionsmittel für persistente Wasserschadstoffe diese elektrochemisch oxidieren, also zersetzen, und so abbauen. Dabei kämen die Vorteile des Aerographits, mechanische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und hohe Oberfläche zum Tragen. Diese Vorteile sind auch nützlich bei der möglichen Reinigung von Außenluft für Inkubatoren oder Beatmungsgeräten.

Derzeit wird noch Grundlagenforschung betrieben. Bis zur Anwendung in der industriellen Produktion kann es noch zehn bis 30 Jahre dauern.

Weitere Informationen unter:

Originalpublikation: "Aerographite: Ultra Lightweight, Flexible Nanowall, Carbon Microtube Material with Outstanding Mechanical Performance"; DOI: 10.1002/adma.201200491

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201200491/pdf

Abbildungen und weiteres Material stehen zum Download bereit:

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-1.png

Bildunterschrift: Die Abbildung zeigt einen elektronenmikroskopischen Ausschnitt des leichtesten Materials der Welt: Aerographit. Offene Kohlenstoffröhren bilden ein feines Netz und ermöglichen so eine geringe Dichte von bis zu 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter.

Quelle: TUHH

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-2.png

Bildunterschrift: Im Reaktor bei Temperaturen über 760 Grad Celsius entweichen gasförmiger Zink und Wasserdampf. Im Bild: In den dunklen Bereichen ist noch Zinkoxid zu erkennen. Zurück bleibt die graphitische Hülle (helle Bereiche).

Quelle: CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-3.png

Bildunterschrift: Während des Entstehungsprozesses wird das sogenannte Opfer-Templat, das kristalline Zinkoxid (hier kräftig weiß), durch Wasserstoff zersetzt. Wasserdampf und Zink entweichen. Die Röhren des Aerographit bleiben zurück.

Quelle: TUHH

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-4.png

Bildunterschrift: Die Tetrapoden des Zinkoxids bilden die ideale Basis für das robuste Material Aerographit.

Quelle: TUHH

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-5.png

Bildunterschrift: Das fast fertige Aerographit: Faszinierende Strukturen mit unglaublichem Potenzial zum Beispiel in der Herstellung von Batterien.

Quelle: TUHH

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-6.png

Bildunterschrift: Aerographit ist wasserabweisend, schwärzer als Schwarz (wird zurzeit untersucht) und elektrisch leitfähig.

Quelle: CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-7.avi

Bildunterschrift: Bis zu 95 Prozent lässt sich Aerographit komprimieren und anschließend wieder auseinanderziehen. Anders als andere Materialien wird es dadurch sogar immer steifer (Durchmesser neun Millimeter).

Quelle: CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-212-8.avi

Bildunterschrift: Die sehr geringen Massen des Aerographits ermöglichen sehr schnelle Richtungsänderungen. Erst stellt es sich auf, dann springt es an den Stab aus Kunststoff und wieder auf den Tisch: so holt sich Aerographit Ladung vom Stab und gibt es an den Tisch ab.

Quelle: CAU

Weitere Fotos von der Präsentation des Aerographits werden nach der Pressekonferenz bereitgestellt.

Kontakt:

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse und Kommunikation,
Dr. Boris Pawlowski,
Postanschrift: D-24098 Kiel,
Telefon: (0431) 880-2104,
Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de,
Internet: http://www.uni-kiel.de

Text: Claudia Eulitz


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