Der Werkstoff der Zukunft

Dr. Siân Fogden – Managerin Markt- und Technologieentwicklung (Bild)

Dr. Siân Fogden – Managerin Markt- und Technologieentwicklung

Reportage

Von der Doktorarbeit zum innovativen Verfahren: Die Forschungsarbeiten von Dr. Siân Fogden zur Separierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben das Potenzial, die Displays von Smartphones und Tablets nachhaltig zu verbessern. Für Linde könnten sich damit zusätzliche Chancen im Markt für Elektronikmaterialien ergeben.

»Bei Nanotechnologie ist alles neu, alles ist zunächst einmal kompliziert und anders.«

Dr. Siân Fogden

Schritt #1: Das Material:

Auf den ersten Blick wirkt der Werkstoff der Zukunft bizarr: Zu abstrakten Miniskulpturen aus kleinen schwarzen Krümeln hat sich der Kohlenstoff in dem versiegelten Glas geformt, das Dr. Siân Fogden in die Luft hält. „Auch wenn es nicht so aussieht: Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind fest und flexibel, es ist ein sehr leichtes Material“, erläutert die Chemikerin in einem Laborraum des Forschungs- und Entwicklungszentrums von Linde im südkalifornischen San Marcos. Fogden gerät schnell ins Schwärmen, wenn es um die besonderen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen geht. Die 33-Jährige ist Managerin für die Markt- und Technologieentwicklung im Bereich Nanotechnologie.

Schritt #2: Die Ammoniak-Lösung:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen lassen sich beispielsweise so modifizieren, dass sie unter anderem für Touchscreen-Bildschirme in Smartphones und Tablets eingesetzt werden könnten – mit deutlichen Vorteilen gegenüber herkömmlichen Technologien. Denn das Material lässt sich biegen und falten, ohne seine leitenden Eigenschaften zu verlieren. Ein Tablet-Computer, dessen Bildschirm kompakt zusammengefaltet wenig Raum einnimmt, ist mit modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen keine Zukunftsvision mehr.

Allerdings: In ihrem ursprünglichen Zustand ähnelt die verflochtene Struktur der Kohlenstoff-Nanoröhrchen eher einem klebrigen Nudelsalat als einem glatten Tablet-Bildschirm. Um leitfähiges und stabiles Material zu erhalten, musste deshalb erst eine neue Prozesstechnologie für die Veränderung des Kohlenstoffs auf Nanoebene entwickelt werden. Denn bisher hatten alle Methoden, Nanoröhrchen in Lösungsmittel zu separieren, den Nachteil, dass die Struktur der Röhrchen verändert wurde. Sie verkürzten sich zum Teil deutlich, wurden beschädigt und verminderten ihre Leitfähigkeit.

Siân Fogden fing bereits 2005 an, sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Nach ihrem Chemie-Abschluss in Oxford widmete sie sich in ihrer Doktorarbeit am Imperial College in London der Frage, wie man Kohlenstoff-Nanoröhrchen ordnen könnte, ohne ihre Struktur zu zerstören. Vier Jahre arbeitete Fogden tagtäglich daran, die Nanoröhrchen sauber zu trennen. „In der Nanotechnologie ist alles neu, alles ist zunächst einmal kompliziert und anders“, sagt sie über ihre Erfahrungen in dieser Zeit. „Aber irgendwann hat es funktioniert.“ Auf Verfahrensebene war die Verwendung von Ammoniak der entscheidende Schritt. Für die konkrete Umsetzung musste Siân Fogden allerdings erst auf Dr. Kevin McKeigue treffen, den Leiter des Bereichs Nanotechnologie bei Linde. Jahre zuvor hatte McKeigue ein Team von Wissenschaftlern des Londoner Zentrums für Nanotechnologie kennengelernt, die sich mit der Separierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschäftigten, und erkannte sofort das Potenzial des Verfahrens.

Nach der erfolgreichen Untersuchung dieser Methode durch Fogdens Doktorarbeit stellte McKeigue die Innovation im zuständigen Gremium von Linde, dem Advanced Technology Council, zur Förderung vor, lizenzierte das Patent für Linde und bestimmte San Marcos als Standort für das neue Forschungszentrum. „Für uns ist das der ideale Standort“, erläutert McKeigue. „Denn hier liegt das Forschungs- und Entwicklungszentrum für unser Geschäft mit Elektronikgasen, wie sie in der Halbleiter- und Elektronikindustrie verwendet werden.“

Schritt #3: Die Reaktion:

Das entwickelte Verfahren nennt sich „Salt-enhanced Electrostatic Repulsion“ (dt.: salzgestützte elektrostatische Abstoßung), kurz SEER. Damit lassen sich Bündel einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwirren. Eine Schlüsselrolle übernimmt dabei flüssiger Ammoniak – eine Chemikalie, mit der sich die Linde Ingenieure bestens auskennen. Nach Zugabe eines Alkalimetalls lösen sich die Nanoröhrchen in dieser Flüssigkeit, weil sie sich negativ aufladen und aufgrund ihrer gleichen Ladung gegenseitig abstoßen. Durch diese Reaktion werden die Kohlenstoff-Nanoröhrchen entzerrt, sie liegen nun in einzelnen Strängen geordnet in dem flüssigen Ammoniak vor. Anschließend wird der Ammoniak entfernt. Zurück bleibt bei diesem komplexen Prozess ein Nanoröhrchen-Salz, das mit einem organischen Lösungsmittel behandelt wird: So entsteht eine tintenartige Flüssigkeit aus einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen – das ideale Material für Hochleistungs-Bildschirme.

Dr. Kee-Chan Kim – Mit Hilfe von Ammoniak werden die Kohlenstoff-Nanoröhrchen negativ aufgeladen, so dass sie sich voneinander abstoßen. (Bild)
Kohlenstoff - Nanoröhrchen (Bild)

Schritt #3:

Mit Hilfe von Ammoniak werden die Kohlenstoff-Nanoröhrchen negativ aufgeladen, so dass sie sich voneinander abstoßen.

Dr. Kee-Chan Kim

»Bei allen Methoden geht es darum, eine möglichst dünne und transparente Schicht herzustellen, die trotzdem elektrisch leitfähig ist.«

Dr. Siân Fogden

Schritt #4: Die Tinte:

„Erst im Februar 2013 hat Linde einen neuen Reinraum eingerichtet, in dem wir nun unter noch besseren Bedingungen forschen können“, erzählt die Chemikerin Kathleen Ligsay und füllt weiße Pellets in ein Reagenzglas. Anschließend entnimmt sie einer älteren Tintenprobe ein paar Tropfen. „In solchen Momenten fange ich an zu beten“, sagt Ligsay. „Sollte die Tinte mit Umgebungsluft in Berührung gekommen sein, waren mehrere Wochen Arbeit umsonst.“ Nur mit gutem Ausgangsmaterial und einem sauberen Prozess lässt sich eine Tinte von so hoher Qualität herstellen, wie sie für die Entwicklung von Touchscreens notwendig ist.

Kathleen Ligsay – Die Nanoröhrchen lösen sich in einer Flüssigkeit auf. (Bild)
Kathleen Ligsay (Bild)

Schritt #4:

Die Nanoröhrchen lösen sich in einer Flüssigkeit auf.

Kathleen Ligsay

Schritt #5: Der Film:

Nach Gesprächen mit den großen Display-Herstellern haben Fogden und ihr Vorgesetzter Graham McFarlane, Leiter Nanomaterialien bei Linde, ihre Forschung erweitert. Sie konzentrieren sich nun auf die Erzeugung von leitenden Filmen. Diese Filme, die auf eine Trägersubstanz aufgebracht werden, erfordern besonders dünne und transparente Schichten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. „Die Kollegen aus unserem Geschäftsbereich Electronics freuen sich, dass wir eine so innovative Technologie entwickelt haben“, berichtet McFarlane.

Aus der High-Tech-Tinte lassen sich Filme für Touchscreens herstellen. (Bild)
High-Tech-Tinte (Bild)

Schritt #5:

Aus der Hightech-Tinte lassen sich Filme für Touchscreens herstellen.

»Alles ist denkbar: der Transport von Gerüchen oder auch von Medikamenten im menschlichen Körper.«

Dr. Siân Fogden

Schritt #6: Die Forschung:

Um aus der Tinte einen Film zu entwickeln, gibt es mehrere Wege. Bei allen Methoden geht es im Kern darum, eine möglichst dünne und transparente Schicht herzustellen, die trotzdem elektrischen Strom leiten kann. „Für das neue iPhone beispielsweise würde man sehr hochwertige Filme benötigen“, erklärt Graham McFarlane. Für weniger anspruchsvolle Anwendungen wären die Anforderungen an das Filmmaterial entsprechend niedriger. Amélie Catheline, Mitglied im Forschungsteam in San Marcos, hat die Tauglichkeit der Filme bereits erfolgreich getestet. „Rund 60 mal habe ich einen Film zusammengefaltet und geknickt, ohne dass das Material seine leitenden Eigenschaften verloren hätte“, erzählt Catheline. Man könnte mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen auch Gerüche transportieren oder Medikamente im menschlichen Körper an die richtige Stelle leiten. Das liegt aber noch weiter in der Zukunft.

Dr. Amélie Catheline – Die Filme können elektrischen Strom leiten, sind aber formbar – klappbare Smartphone-Bildschirme werden so möglich. (Bild)
Dr. Amélie Catheline (Bild)

Schritt #6:

Die Filme können elektrischen Strom leiten, sind aber formbar – klappbare Smartphone-Bildschirme werden so möglich.

Dr. Amélie Catheline

Schritt #7: Die Zukunft:

Während im Reinraum die Filme auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen immer weiter verbessert werden, experimentiert das Linde Forschungsteam bereits mit dem nächsten Werkstoff: Graphen. Allerdings sind die darin enthaltenen Kohlenstoffmoleküle nicht in Form von Röhrchen angeordnet, sondern in dünnen Platten. Auch Graphen ist ein Stoff, für den viele Anwendungsmöglichkeiten denkbar wären, etwa im Flugzeugbau, wie McKeigue erläutert. Hier befinde man sich aber erst am Anfang der Forschung.