Elektromechanisch induzierter Längungsmechanismus von Kohlenstoffröhren

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Aufklärung des Aktuationsmechanismus´ von elektrisch aufgeladenen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in elektrolytischer Umgebung. Untersucht werden dazu Proben mit unterschiedlich angeordneten CNTs sowie der Einfluss der beteiligten Ionen und deren Wechselwirkung mit der Architektur aus Kohlenstoffröhren bzw. einzelnen CNTs. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei zum einen auf Papieren aus zufällig orientierten einwandigen, in Reihe geschalteten Kohlenstoffröhren (SWCNTs). Zum anderen werden frei stehende Wälder aus einzelnen mehrwandigen, makroskaligen, parallel geschalteten Kohlenstoffröhren (MWCNTs) intensiv untersucht. Die CNT-Orientierung innerhalb der Probe und ein speziell entwickelter Versuchsaufbau sollen eine Klärung der Aktuationsmechanismen der beiden Probentypen herbeiführen. Bei CNT-Papieren erweist sich die Interaktion von flexibler CNT-Architektur und Elektrolyt-Ionen als treibende Kraft hinter den gemessenen Ergebnissen. Die Aktuationsprozesse sind dabei keineswegs völlig reversibel, da sie am schwächsten Glied dieser Architektur, den Kontaktstellen zwischen den in Reihe geschalteten Kohlenstoffröhren, wirken. Diese Verbindungsstellen zwischen CNTs dominieren das Verhalten des CNT-Papiers aufgrund ihrer elektromechanischen Eigenschaften. Die Kontaktstellen reagieren empfindlich auf äußere Einflüsse wie Flüssigkeiten, elektrostatische Aufladung oder Ioneninterkalation und ermöglichen dadurch die Aktuation eines CNTPapiers. Im Gegensatz dazu stellen die frei stehenden, makroskalig langen CNT-Wälder parallel geschaltete CNTs dar, die an ihren beiden Enden eingespannt untersucht werden. Mithilfe dieser Vorgehensweise soll die Untersuchung einzelner MWCNTs und damit des reinen Kohlenstoffgitters realisierbar sein. Dazu muss die Probe allerdings eine hohe Ausrichtungsgüte aufweisen und in einen Teststand fixiert werden. Hohe Standardabweichungen zeigen, dass die Präparation und der Versuchsaufbau noch Verbesserungspotenzial aufweisen. Dennoch kann gezeigt werden, dass MWCNT-Wälder nicht auf die gleiche Weise auf äußere Einflüsse reagieren wie CNT-Papiere, da sie keine Kontaktstellen zwischen CNTs entlang der Prüfachse aufweisen. Die Resultate der Vorversuche mit unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten erlauben zwar nicht, den Aktuationsmechanismus eindeutig zu identifizieren, allerdings können makroskopische Effekte ausgeschlossen werden. Die Randbedingungen der Versuche legen nahe, dass durch die Interaktion von Kohlenstoffbindungen und Elektrolyt-Ionen reversible Geometrieveränderungen des Kohlenstoffgitters stattfinden.