Die Nanotechnologie birgt ein hohes Innovationspotential und gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nanotubes, CNT) sind mitunter die wichtigsten Vertreter dieser neuen Materialklasse und haben seit ihrer Entdeckung 1991 rasant an Interesse in Forschung und Entwicklung gewonnen. Zurückzuführen ist dies auf die außergewöhnlichen Materialeigenschaften, die Nanoröhren aufweisen und sie für eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, darunter auch Sensoren, als Materialkomponente interessant machen.
Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen aus gekrümmten und in sich geschlossenen graphitähnlichen Atomlagen, die typischerweise aus einer sehr großen Anzahl von ringförmig gebundenen Kohlenstoffatomen bestehen und zu einer stabilen schlauchartigen Gesamtstruktur der Moleküle führen. Dies hat zur Folge, dass CNT einerseits eine sehr hohe mechanische Zugfestigkeit andererseits aber auch eine hohe Elastizität aufweisen. Besteht ein CNT-Molekül aus einer einzelnen Atomlage, spricht man von einwandigen Nanoröhren (single walled carbon nanotube, SWCNT). Mehrere konzentrisch ineinander verschachtelte Röhren werden als mehrwandig (multi walled carbon nanotube, MWCNT) bezeichnet.
Bild: REM-Aufnahme einer gesprühten CNT-Schicht
Der Lehrstuhl Mikrosystemtechnik des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) hat sich sich gemeinsam mit der Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe (TEG) der vielfältigen Welt dieser neuartigen Materialien gewidmet. Die Besonderheit dieser Werkstoffe liegt in der molekularen Struktur: Kohlenstoff-Nanoröhren besitzen einen vergleichsweise geringen Durchmesser von nur wenigen Nanometern bei einer Länge von einigen hundert Mikrometern bis zu einigen Zentimetern. Abb. 1 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines am IFF hergestellten dünnen MWCNT-Netzwerks mit einer mittleren Schichtdicke von ca. 500 nm. Die Länge des im Bild dargestellten Maßstabs beträgt 100 nm. Dieses ungewöhnlich Verhältnis der Länge zum Durchmesser, das sogenannte Aspektverhältnis, führt zu einer großen Oberfläche der CNT-Moleküle bei vergleichsweise geringer Dichte.
Die hohe Affinität der Kohlenstoff-Nanoröhren untereinander wie auch zu anderen Molekülen führt dazu, dass sie sich leicht zu Bündeln von vielen CNT-Molekülen zusammenschließen, aber auch zur Anlagerung anderer Stoffe, wie beispielsweise Gase, Dämpfe oder auch biologischen Substanzen wie DNS. Diese Materialeigenschaft machen Kohlenstoff-Nanoröhren für alle sensorische Anwendungen in der chemischen und biologischen Analytik außerordentlich interessant. Zwar sind CNT generell chemisch sehr stabile Moleküle, jedoch ist es möglich durch gezielte Reaktionsabläufe zusätzliche chemische Nebengruppen dauerhaft zu binden. Durch eine sogenannte chemische Funktionalisierung lassen sich sowohl die Löslichkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren als auch die Selektivität von stofflichen Bindungen verbessern.Je nach molekularem Aufbau (Chiralität) können sie elektrische Leitungseigenschaften auf-weisen, die entweder dem eines halbleitenden oder eines metallisch leitenden Materials entsprechen. Diese besonderen elektrischen Eigenschaften lassen sich genau genommen nur für einzelne CNT in ihrer vollen Bandbreite ausnutzen, was in vielfacher Form beispielsweise durch den mikrotechnischen Aufbau von CNT-Feldeffekttransistoren demonstriert wurde. Jedoch stellt die Verarbeitung von einzelnen CNT unter wirtschaftlich-technischen Gesichtspunkten bisher noch eine große Herausforderung dar. Zwar existieren Ansätze einzelne Nanoröhren durch den Einsatz von speziellen CVD-Reaktionen in mikrostrukturierten Umgebungen gezielt wachsen zu lassen, diese stellen aber hohe Anforderungen an die Prozesstechnik bzw. Produktionsinfrastruktur und bergen für die industrielle Verarbeitung von CNT bisher noch ein relativ hohes Investitionsrisiko.
Eine preisgünstige Alternative zu diesen durch aufwändige Verfahren hergestellten Mikro-strukturen stellt die Verarbeitung von flüssigen Dispersionen mittels relativ einfacher Beschichtungsverfahren dar. Die so hergestellten CNT-Schichtsysteme besitzen auch im Falle von extrem dünnen Schichten die oben beschriebenen Charakteristika und bilden so einen guten Kompromiss aus konventioneller Verarbeitung von CNT-Rohstoffmaterial und der Nutzung ausgezeichneten Materialeigenschaften. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Beimengung als Zusatzstoff für die Herstellung von Kompositmaterialien zumeist auf Kunststoffbasis. Hier dienen die CNT als verstärkendes Material, welches sich durch geringere Zunahme der Steifigkeit des Komposits auszeichnet oder zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit des ansonsten isolierenden Kunststoffes führt. Dispersionen werden durch Untermischung von pulverförmigem CNT-Rohmaterial in Lösungsmitteln, häufig auch unter Zuhilfenahme von oberflächenaktiven Substanzen und an-schließender Ultraschallbehandlung des flüssigen Gemischs hergestellt. Mittels herkömmlicher fluidischer Verarbeitungsverfahren (wie z.B. Sprühen, Aufschleudern, Dispensen usw.) lassen sich so dünne und elektrisch leitfähige CNT-Filme bzw. -Netzwerke herstellen, die mitunter auch transparent und zugleich leitfähig sein können.
Werden solche CNT-Netzwerke durch mechanische Dehnungen belastet, so zeigen sie eine messbare Änderung des Schichtwiderstands. In Abb. 2 ist auf der linken Bildhälfte eine Messung eines elektrischen CNT-Schichtwiderstands über die relative Dehnung des jeweiligen Prüfkörpers aufgetragen. Es lässt sich gut erkennen, dass die Widerstandsänderung nahezu linear zur Dehnung verläuft. In der rechten Bildhälfte sind zwei beispielhafte Prüfkörper zur Bestimmung von dehnungsabhängigen Widerständen für die Untersuchung mit Zugdehnmaschinen dargestellt. Die Dehnung bei einer bestimmten Kraftbelastung wird maßgeblich durch das Prüfkörpermaterial bestimmt, während die elektrische Widerstandsänderung der CNT-Schicht diese Dehnung messtechnisch bestimmbar macht. Damit können CNT-Netzwerke als dehnungsempfindliche Sensoren eingesetzt werden.
Bild: Graph des Widerstandsverlauf über Dehnung eines Prüfkörpers, wie beispielhaft rechts dargestellt
Gegenwärtig werden in Zusammenarbeit zwischen der Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe (TEG) und dem Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart material- und anlagentechnische Konzepte entwickelt, die eine kostengünstige und flexible Herstellung von dehnungsempfindlichen CNT-Schichten durch Sprühverarbeitung von CNT-Dispersionen ermöglichen. Als Versuchsstand dient eine Kabine in der ein Roboter ein Sprühwerkzeug führt. Als mögliche zukünftige Anwendung sehen wir beispielsweise die Besprühung von dreidimensionalen Bauteiloberflächen, zur Messung von lokalen Dehnungseigenschaften. In einem späteren Stadium der Entwicklungen könnten Sprühbeschichtungen mit CNT-Dehnungssensoren auch manuell vor Ort an großen Bauteilen durchgeführt werden. Des Weiteren werden neue Zusammensetzungen für die CNT-Dispersionen untersucht, um die Sensitivität der Schichten weiter zu steigern. Hierzu sollen auch anlagentechnische Modifikationen entwickelt werden, die es erlauben bereits während der Beschichtung eine verstärkte räumliche Ausrichtung der CNT zu ermöglichen. Damit auch auf sehr glatten Untergründen, wie beispielsweise gläserne Oberflächen, eine verbesserte Schichthaftung erzielt wird, werden Konzepte für eine prozessintegrierte Oberflächenvorbehandlung untersucht. Das Ziel ist hierbei die Herstellung von deutlich haftfesteren CNT-Schichten.
Zusammenfassend befindet sich das Gebiet der elektromechanischen Sensorentwicklung mit CNT noch in einem relativ frühen Stadium. Jedoch sind die Ergebnisse vielsprechend im Hinblick auf die kostengünstige Herstellung und Verarbeitung von CNT-Komposit-Werkstoffen mit konventionellen Beschichtungstechniken. Sollte es zukünftig gelingen die Sensitivität der CNT-Netzwerke bei Dehnungsbelastung noch deutlich zu steigern, so stände klassischen Dehnmessstreifen aus Metallfolien eine ernst zu nehmende Konkurrenz gegenüber.