18.07.12

Forschung

Aerographit - das leichteste Material der Welt

Forscher aus Hamburg und Kiel entdeckten einen elektrisch leitenden Feststoff, der zu mehr als 99 Prozent aus Luft besteht. Einsatz in Batterien denkbar.

Von Marc Hasse
Foto: Karl Schulte/TUHH
Unter dem Mikroskop zeigt sich bei einem etwa 0,004 Milimeter breiten und 0,007 hohen Aerographit-Teilstück dessen hüllenartige Struktur
Unter dem Mikroskop zeigt sich bei einem etwa 0,004 Milimeter breiten und 0,007 hohen Aerographit-Teilstück dessen hüllenartige Struktur

Kiel/Hamburg. Er wiegt 75-mal weniger als Styropor, hält trotzdem eine Menge aus und leitet elektrischen Strom sehr gut: der leichteste bisher bekannte Feststoff der Welt, den Forscher aus Hamburg und Kiel entdeckt haben. Aerografit nennen sie das Material, das zu weniger als ein Prozent aus Kohlenstoff besteht - und sonst nur aus Luft. Es könnte eventuell für stärkere und leichtere Batterien genutzt werden, etwa für Elektroautos.

Mit bloßem Auge sieht man nur pechschwarze Partikel; erst unter einem Rasterelektronenmikroskop, 10 000-fach vergrößert, offenbart der Stoff seine Feinstruktur: Winzige Kohlenstoffröhrchen, die dreidimensional miteinander verwachsen sind, bilden eine Art Schwamm mit unzähligen Poren, in denen Luft enthalten ist. Zieht man das Gewicht der Luft ab, wiegt der Röhrenverbund nur 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter. Zum Vergleich: Luft wiegt 1,2 Milligramm pro Kubikzentimeter. Enthielten die Poren ein Vakuum, würde der erstaunliche Stoff einfach davonschweben.

Aerografit ist mehr als viermal leichter als der bisherige Weltrekordhalter, der 0,9 Milligramm pro Kubikzentimeter wiegt. Dabei handelt es sich ebenfalls um ein Röhrengeflecht, das aber aus Nickel und Phosphor besteht. US-Forscher stellten es vor einem halben Jahr im Journal "Science" vor. Im Unterschied zu diesem Stoff sind die Röhren von Aerografit porös - und unter anderem deshalb leichter.

+++Leichtestes Material kommt aus Hamburg+++

Die Materialwissenschaftler um Prof. Karl Schulte von der Universität Hamburg-Harburg (TUHH), sein Doktorand Matthias Mecklenburg und Prof. Rainer Adelung von der Universität Kiel hatten nicht gezielt nach einem solchen Leichtgewicht gesucht, vielmehr waren sie bei Experimenten mit sogenannten Kohlenstoffnanoröhren darauf gestoßen. Diese gelten wegen ihrer außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften als Wunderwerkstoff: Sie sind erheblich leichter als Stahl, aber bis zu 100-mal zugfester, und sie leiten elektrische Ladungen unter Umständen erheblich besser als Kupfer. In diversen Forschungsprojekten testen Wissenschaftler den Einsatz der winzigen Röhren etwa in neuartigen Computerchips.

Karl Schulte und Rainer Adelung wollten untersuchen, wie pulverförmiges Zinkoxid reagiert, wenn man versucht, es mit Kohlenstoffnanoröhren anzureichern. Dazu brachten sie das Zinkoxid-Pulver zunächst in die Form einer Tablette. Diese setzte sich aus winzigen Kristallen zusammen, die man sich wie Bäumstämme und Äste eines Wald vorstellen könne, erläuterte der Kieler Professor Rainer Adelung. Dieses sogenannten Templat gaben die Forscher in einen 760 Grad heißen Reaktor, der von einem kohlenstoffreichen Gas und von Wasserstoff durchströmt wurde. Anschließend geschah etwas, dass sie so nicht erwartet hatten: Der Kohlenstoff aus dem Gas lagerte sich auf dem Zinkoxid - den Baumstämmen und Ästen - ab und ummantelte die Strukturen mit einer nur wenige Atomlagen dünnen Schicht aus Grafit.

Gleichzeitig reagierte der zugeführte Wasserstoff mit dem Sauerstoff des Zinkoxids; dadurch wurde das Zink gasförmig und entwich zusammen mit Wasserdampf. Übrig blieben nur die Grafitummantelungen, die Hüllen. Das Aerografit verhält sich also wie ein schnell wachsendes Efeugeflecht, das sich um einen Baum windet, wobei der Baum selbst entfernt wird. Bei den Versuchen zeigte sich auch: Je schneller das Zink bei dem Prozess herausgelöst werde, desto löchriger seien die Wände der Röhren und desto leichter werde das Material, sagte TUHH-Forscher Matthias Mecklenburg, Erstautor der Studie über Aerografit, die im Fachjournal "Advanced Materials" veröffentlicht worden ist.

Von Graphen, dem dünnsten Material der Welt, das aus nur einer Lage Kohlenstoffatomen besteht, also zweidimensional ist, unterscheidet sich Aerografit im Wesentlichen durch seine Dreidimensionalität.

Während ultraleichte Materialien normalerweise Druck, aber nicht Zug aushalten können, zeichne sich Aerografit durch eine hervorragende Stabilität bei Druck- und Zugbelastungen aus, sagte TUHH-Forscher Karl Schulte. So lasse sich der Stoff um bis zu zehn Prozent auseinanderziehen oder um bis zu 95 Prozent zusammenpressen und dann wieder in seine ursprüngliche Form bringen, ohne Schaden zu nehmen. Diese Belastbarkeit prädestiniere Aerografit vor allem für den Einsatz in Batterien. Denn dort treten bei der Beladung mit Strom hohe Kräfte auf, die das stromleitende Material in der Batterie aushalten muss. Dazu sei Aerografit wohl sehr gut in der Lage, sagte Schulte. Zugleich könne der Stoff dank seiner hohen Leitfähigkeit die Kapazität von Batterien erhöhen. Weil Aerografit außerdem Wasser abweise und Licht fast ganz verschlucke, seien aber auch andere Anwendungen denkbar. In zehn bis 20 Jahren könnte das Material zur industriellen Anwendung kommen.

Nicht geeignet sei Aerografit hingegen, um daraus leichte und zugleich steife Strukturen wie Flugzeugflügel zu bauen. Denn es besteht ja nur zu weniger als einem Prozent aus Kohlenstoff. Würde man die restlichen 99 Prozent mit Kunststoff füllen, entstünde eine schwere und zugleich wenig biegsame Struktur. Hier bleibe Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK), der zu bis zu 70 Prozent aus Kohlenstoff besteht, das wichtigste Material der Zukunft.

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