DE102008059801B4

DE102008059801B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffnanoröhrendrahts, entsprechender Kohlenstoffnanoröhrendraht und Speichermedium

Info

Publication number: DE102008059801B4
Application number: DE102008059801.1A
Authority: DE
Inventors: Yong Hyup Kim; Eui Yun Jang
Original assignee: SNU R&DB Foundation
Current assignee: SNU R&DB Foundation
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: US20100047568A1; JP4769284B2; CN101654240A; DE102008059801A1; KR101095696B1; KR20100022906A; JP2010047889A; US8357346B2; CN101654240B

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffnanoröhrendrahts (CNT-Draht), das die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Metallspitze und einer kolloidalen CNT-Lösung,
Eintauchen der Metallspitze zumindest teilweise in die kolloidale CNT-Lösung,
Herausziehen der Metallspitze aus der kolloidalen CNT-Lösung unter Ausbildung eines CNT-Drahts, wobei der CNT-Draht ohne Anlegen einer Spannung zwischen der Metallspitze und der kolloidalen CNT-Lösung ausgebildet wird, und
Beschichten von zumindest einem Abschnitt des CNT-Drahts mit einem Polymer,
wobei das Eintauchen ein Verweilenlassen der Metallspitze in der kolloidalen CNT-Lösung während einer vorbestimmten Zeit von ungefähr 2 Minuten bis ungefähr 10 Minuten umfasst,
wobei das Herausziehen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2 mm/Minute bis ungefähr 5 mm/Minute durchgeführt wird, und
wobei die Konzentration der CNT-Kolloide in der kolloidalen CNT-Lösung ungefähr 0,05 mg/ml bis ungefähr 0,2 mg/ml ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffnanoröhrendrahts, einen entsprechenden Kohlenstoffnanoröhrendraht sowie ein prozessorlesbares Speichermedium.
Aus der US 2007/007142 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, welches folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Metallspitze und einer kolloidalen CNT-Lösung, Eintauchen der Metallspitze zumindest teilweise in kolloidale CNT-Lösung, Herausziehen der Metallspitze aus der kolloidalen CNT-Lösung unter Ausbildung eines CNT-Drahts und Beschichten von zumindest einem Abschnitt des CNT-Drahts mit einem Polymer.
Bei dem bekannten Verfahren wird zwischen einer Elektrode und der Metallspitze ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom angelegt.
Aus R. Annamalai: „Electrophoretic drawing of continous fibers of single-walled carbon nanotubes", J. Appl. Phys. 98, pp. 114307 (2005) ist ebenfalls ein Strom unterstützes Verfahren zur Herstellung eines einwandigen Kohlenstoffnanoröhrendrahts bekannt.
Im Allgemeinen betrifft die hierin beschriebene Technologie Strukturen aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und insbesondere CNT-Drähte, die mit einem Polymer beschichtet sind.
Seit Kurzem hat die Technologie der Kohlenstoffnanoröhren (CNT) aufgrund ihrer grundlegenden Eigenschaften und zukunftsweisenden Anwendungsmöglichkeiten großes Interesse auf sich gezogen. Einige der interessanten Eigenschaften von CNTs sind deren elektronische, mechanische, optische und chemische Eigenschaften, die sie für viele Anwendungen potenziell brauchbar machen. Aufgrund ihrer nützlichen Eigenschaften werden CNTs derzeit zur Herstellung von CNT-Artikeln wie CNT-Drähten, -Fasern und -Strängen verwendet.
Derzeit sind CNT-Drähte jedoch mechanisch instabil und sind infolge dessen fragil und brechen leicht bei einer von außen einwirkenden mechanischen Kraft. Der Grund hierfür sind die relativ schwachen Van der Waals-Kräfte, mit denen die einen CNT-Draht bildenden CNTs aneinander haften. Es besteht daher die Notwendigkeit, die mechanische Festigkeit der CNT-Drähte zu verbessern, um diesen Nachteil zu überwinden. Ferner kann eine Temperaturerhöhung bewirken, dass der elektrische Widerstand eines CNT-Drahts ansteigt. Es besteht die Notwendigkeit, einen verbesserten CNT-Draht zu entwickeln, der einen derartigen Anstieg des elektrischen Widerstands beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Kohlenstoffnanoröhrendraht, der die oben geschilderten Nachteile überwindet, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein prozessorlesbares Speichermedium bereitzustellen, mit dessen Hilfe das Verfahren zur Herstellung des verbesserten Kohlenstoffnanoröhrendrahts durchgeführt werden kann.
Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe gemäß dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren gelöst. Vorrichtungstechnisch wird die Aufgabe gemäß den in den Ansprüchen 14 und 19 beschriebenen Vorrichtungen gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Systems zur Herstellung eines CNT-Drahts;
2 eine beispielhafte Ausführungsform einer geätzten Metallspitze;
3 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines verbesserten CNT-Drahts;
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Grenzfläche zwischen einer Metallspitze und einer kolloidalen CNT-Lösung;
5 eine Abbildung eines CNT-Drahts;
6 eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines CNT-Drahts, der einwandige Kohlenstoffnanoröhren umfasst;
7 eine mikroskopische Aufnahme eines CNT-Drahts; und
8 eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines verbesserten CNT-Drahts, der mit einem Polymer beschichtet ist.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, bei denen, soweit nichts anderes angegeben wird, gleiche Symbole typischerweise gleiche Komponenten bezeichnen. Die in der ausführlichen Beschreibung beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen, Zeichnungen und Ansprüche sind als nicht einschränkend gedacht. Es können auch andere Ausführungsformen verwendet werden und es können weitere Modifikationen durchgeführt werden, ohne vom Geist oder Umfang der hierin dargestellten Erfindung abzuweichen. Es ist selbstverständlich, dass die Aspekte der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin allgemein beschrieben und in den Figuren dargestellt sind, in einer breiten Vielfalt verschiedener Konfigurationen angeordnet, substituiert, kombiniert und gestaltet werden können, wobei diese alle als Teil dieser Offenbarung gedacht sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem Verfahren, Vorrichtungen, auf prozessorlesbaren Speichermedien gespeicherte Anweisungen und Systeme betreffend CNTs.
1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Systems 100 zur Herstellung eines CNT-Drahts. Wie aus der Figur ersichtlich ist, umfasst das System 100 eine linke Führung 102 und eine rechte Führung 104, die jeweils auf einer Basis 106 montiert sind. An der linken Führung 102 ist eine Plattform 108 angebracht und derart ausgestaltet, dass sie durch Antrieb mittels eines Motors (nicht aufgezeigt) im Wesentlichen vertikal entlang der linken Führung 102 bewegt werden kann. Auf der Plattform 108 ist ein Gefäß 110 angeordnet, um darin eine kolloidale CNT-Lösung 112 aufzunehmen. Das Gefäß 110 kann aus einem hydrophoben Material wie fluoriertem Ethylenpropylen (welches unter dem Markennamen Teflon vertrieben wird), anderen PTFE-Substanzen (Polytetrafluorethylensubstanzen) und dergleichen hergestellt sein. An der rechten Führung 104 ist eine Aufhängung 114 montiert, derart, dass die Aufhängung 114 mittels einer Betätigungseinrichtung 116 im Wesentlichen vertikal entlang der rechten Führung 104 bewegt werden kann. An der Aufhängung 114 kann über eine Haltevorrichtung 118 eine Metallspitze 120 herunterhängen, so dass die Metallspitze 120 in Übereinstimmung mit der Bewegung der Aufhängung 114 im Wesentlichen vertikal nach oben oder unten bewegt werden kann. Die Plattform 108 und die Aufhängung 114 können so ausgestaltet sein, dass sie auf eine aufeinander abgestimmte Weise bewegt werden können, so dass dadurch die Metallspitze 120 so angeordnet werden kann, dass sie zumindest teilweise in die kolloidale CNT-Lösung 112 eintaucht. Die obigen Arbeitsschritte des Systems 100 können ohne jeglichen Eingriff eines Anwenders automatisiert werden. In einer speziellen Ausführungsform können die Arbeitsschritte beispielsweise durch einen Prozessor im System 100 gesteuert werden, der so konfiguriert ist, dass er geeignete Anweisungen ausführt, und es kann ein Motor eingesetzt werden, um die Plattform 108, die Aufhängung 114 oder beides anzutreiben.
In einer Ausführungsform kann die kolloidale CNT-Lösung 112 in einem Lösungsmittel dispergierte CNT-Kolloide einschließen. Die Konzentration der CNT-Kolloide in der kolloidalen CNT-Lösung 112 kann beispielsweise von ungefähr 0,05 mg/ml bis ungefähr 0,2 mg/ml reichen. Die kolloidale CNT-Lösung 112 kann hergestellt werden, indem zuerst CNTs gereinigt werden und dann die gereinigten CNTs in einem Lösungsmittel dispergiert werden. Die Reinigung kann durch Nassoxidation in einer Säurelösung oder durch Trockenoxidation durchgeführt werden. Das Lösungsmittel kann entionisiertes Wasser, ein organisches Lösungsmittel wie Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Tetrahydrofuran (THF) und dergleichen sein. Die Kohlenstoffnanoröhren können einwandige Nanoröhren (single-walled nanotubes SWNTs) oder mehrwandige Nanoröhren (multi-walled nanotubes MWNTs) einschließen. Da die durch herkömmliche Verfahren hergestellten Nanoröhren Verunreinigungen enthalten können, können die Nanoröhren vor der Ausbildung der kolloidalen Lösung gereinigt werden. Alternativ dazu können bereits gereinigte CNTs gekauft werden und anstelle solcher ungereinigter Nanoröhren verwendet werden, um die Notwendigkeit für eine derartige Reinigung zu beseitigen. Ein geeignetes Reinigungsverfahren kann ein Halten der Nanoröhren unter Rückfluss in Salpetersäure (z. B. ungefähr 2,5 M) und ein Resuspendieren der Nanoröhren in Wasser bei pH 10 mit einem Tensid (z. B. Natriumlaurylsulfat) und dann Filtrieren der Nanoröhren mit einem Querstromfiltrationssystem einschließen. Die resultierende gereinigte Nanoröhrensuspension kann dann durch einen Filter (z. B. Polytetrafluorethylenfilter) geleitet werden.
Die gereinigten CNTs können in Pulverform vorliegen, welches in dem Lösungsmittel dispergiert werden kann. Es kann eine beliebige Dispersionstechnik verwendet werden, um die Konzentration der CNT-Teilchen zu erhalten, einschließlich eines Rührens, Mischens und dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann eine Ultraschallbehandlung angewendet werden, um die Dispersion der gereinigten CNTs im Lösungsmittel zu erleichtern, und/oder es kann ein elektrisches Feld angelegt werden, um zu bewirken, dass die gereinigten CNTs im Lösungsmittel dispergiert werden. Die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren in der kolloidalen CNT-Lösung 112 kann ungefähr 0,05 mg/ml betragen. Die Konzentration kann jedoch in Abhängigkeit der gewünschten Spezifikation des CNT-Drahts, wie Durchmesser, Länge und dergleichen, variieren, derart, dass höhere Konzentrationen der kolloidalen CNT-Lösung 112 einen CNT-Draht ergeben, der einen größeren Durchmesser aufweist.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Metallspitze 120, die, wie aufgezeigt, an einem Ende eine spitz zulaufende Spitze 202 aufweist. Die Schärfe der spitz zulaufenden Spitze 202 bezogen auf ihren Krümmungsradius ist derart, dass die Spitze umso schärfer ist, desto geringer der Krümmungsradius ist. In Abhängigkeit von den Gestaltungsanforderungen an die Metallspitze 120 kann die Metallspitze 120 verschiedene Formen der spitz zulaufenden Spitze 202 aufweisen. Die spitz zulaufende Spitze 202 der Metallspitze 120 kann einen Radius von ungefähr 250 nm aufweisen und bildet eine scharfe, im Allgemeinen konische Form aus. Der Radius der spitz zulaufenden Spitze 202 kann von einigen zehn Nanometern bis einige hundert Nanometer variieren. Bei der Auswahl eines Materials für die Metallspitze 120 kann ein Metall angewendet werden, das eine gute Benetzbarkeit mit der kolloidalen CNT-Lösung aufweist, wie eines oder mehrere von Wolfram (W), eine Wolframlegierung, Platin, eine Platinlegierung und dergleichen.
3 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines verbesserten CNT-Drahts, wie beispielsweise eines CNT-Drahts 800 (wie er in 8 dargestellt ist). Die Metallspitze 120 wird zumindest teilweise in eine kolloidale CNT-Lösung 112 eingetaucht (3, Block 310). In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise in 1 aufgezeigt, betätigt eine Betätigungseinrichtung 116 eine Aufhängung 114 und eine Haltevorrichtung 118, um zu ermöglichen, dass eine Metallspitze 120 zumindest teilweise in eine kolloidale CNT-Lösung 112, die in einem Gefäß 110 enthalten ist, eintaucht. In anderen Ausführungsformen kann die an der linken Führung 102 angebrachte Plattform 108 im Wesentlichen vertikal nach oben bewegt werden, so dass die Metallspitze 120 zumindest teilweise in die kolloidale CNT-Lösung 112 eintaucht.
Wiederum auf 3 bezogen hält man die eingetauchte Metallspitze 120 bewegungslos in der kolloidalen CNT-Lösung 112 bzw. lässt sie darin verweilen (3, Block 320). Während des Verweilenlassens der Metallspitze 120 in der kolloidalen CNT-Lösung 112 beginnen die CNT-Kolloide in der kolloidalen CNT-Lösung 112 damit, sich von selbst an der spitz zulaufenden Spitze 202 der Metallspitze 120 aneinanderzufügen. Die Verweilzeit kann in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Konzentration der kolloidalen CNT-Lösung 112, Schärfe der Metallspitze 120 und dergleichen von einigen Sekunden bis einige zehn Minuten variieren. Erfindungsgemäß beträgt eine geeignete Verweilzeit zwischen ungefähr 2 Minuten und ungefähr 10 Minuten.
Die Metallspitze 120 wird zumindest teilweise aus der kolloidalen CNT-Lösung 112 gezogen, wobei die selbständig erhaltene Anordnung der CNT-Kolloide an der spitz zulaufenden Spitze 202 der Metallspitze 120 beibehalten wird (3, Block 330). Das Herausziehen kann durchgeführt werden durch ein einzelnes oder gleichzeitiges im Wesentlichen vertikales Anheben der Metallspitze 120 und Absenken des Gefäßes 110, das die kolloidale CNT-Lösung 112 enthält. Die Geschwindigkeit des Herausziehens kann abhängig sein von der Viskosität der kolloidalen CNT-Lösung 112. Wenn die Viskosität der kolloidalen CNT-Lösung 112 höher ist oder der Zieldurchmesser des CNT-Drahts geringer ist, kann die Geschwindigkeit des Herausziehens der Metallspitze 120 höher werden. Im Verlauf des Herausziehens der Metallspitze 120 aus der kolloidalen CNT-Lösung 112 kann die Geschwindigkeit des Herausziehens der Metallspitze 120 variieren oder kann konstant bleiben. Erfindungsgemäß beträgt eine geeignete Geschwindigkeit des Herausziehens von ungefähr 2 mm/Minute bis ungefähr 5 mm/Minute. Das Herausziehen kann bei Raumtemperatur und/oder bei Atmosphärendruck durchgeführt werden.
4 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Grenzfläche zwischen einer Metallspitze 120 und einer kolloidalen CNT-Lösung 112, die ausgebildet wird, wenn begonnen wird, die Metallspitze 120 zumindest teilweise aus der kolloidalen CNT-Lösung 112 herauszuziehen. Während des Herausziehens der Metallspitze 120 aus der kolloidalen CNT-Lösung 112 bilden die CNT-Kolloide in der kolloidalen CNT-Lösung 112 einen Meniskus 402 und fügen sich von selbst an der spitz zulaufenden Spitze 202 der Metallspitze 120 aneinander. Dieses selbstständige Aneinanderfügen (Selbstassemblierung) kann verstanden werden als die spontane und reversible Organisation von molekularen Einheiten zu geordneten Strukturen durch nichtkovalente Wechselwirkungen.
5 zeigt eine Abbildung eines CNT-Drahts, der aus einer kolloidalen CNT-Lösung 112 hergestellt wurde. Die Länge des CNT-Drahts 502 kann beispielsweise ungefähr 10 cm betragen. Die Länge des CNT-Drahts 502 kann jedoch, falls notwendig, verlängert werden durch Erweitern der Bewegung der Plattform 108 oder der Aufhängung 114 von beispielsweise einigen Zentimetern auf einige zehn Meter.
6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines CNT-Drahts 502, der aus einer kolloidalen CNT-Lösung 112 mit einwandigen Nanoröhren (single-walled nanotubes SWNTs) hergestellt wurde. Alternativ dazu kann ein CNT-Draht 502 aus einer kolloidalen CNT-Lösung 112 mit mehrwandigen Nanoröhren (multi-walled nanotubes MWNTs) hergestellt werden. Wie in 6 aufgezeigt, kann der CNT-Draht 502 beispielsweise Hunderte Millionen SWNTs 602 enthalten, die durch relativ schwache Van der Waals-Kräfte an benachbarten SWNTs 602 haften. In einer besonderen Ausführungsform kann der CNT-Draht 502 Millionen bis Tausend Millionen SWNTs 602 einschließen. Der CNT-Draht 502 kann mit einem dauerhaften Material wie Polydimethylsiloxan (PDMS), Polypropylen, Polyolefin, Polyurethan und dergleichen verstärkt sein, um die Handhabbarkeit zu erleichtern und ein Brechen durch beispielsweise eine ausgeübte mechanische Kraft zu verhindern. Obwohl 6 CNTs 602 darstellt, die durch regelmäßige und konzentrische Anordnung einen CNT-Draht 502 bilden, können die CNTs 602 in dem CNT-Draht 502 unregelmäßig angeordnet sein.
7 zeigt eine transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (TEM-Aufnahme) eines CNT-Drahts, der aus einer kolloidalen CNT-Lösung von SWNTs hergestellt wurde. Wie anhand der Größenskala, die im rechten unteren Abschnitt der Abbildung dargestellt ist, abgeschätzt werden kann, beträgt der Durchmesser des CNT-Drahts ungefähr 10 µm. Der Durchmesser kann jedoch entsprechend der zuvor erwähnten Parameter wie der Geschwindigkeit des Herausziehens, der Konzentration der kolloidalen CNT-Lösung 112 und dergleichen derart variieren, dass eine verringerte Geschwindigkeit des Herausziehens oder eine erhöhte Konzentration der kolloidalen CNT-Lösung 112 einen größeren Durchmesser des CNT-Drahts 502 ergeben wird. Unter der Annahme, dass der Durchmesser einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre ungefähr 1 nm beträgt, kann abgeschätzt werden, dass ein Abschnitt eines CNT-Drahts 502 von ungefähr 10 µm Hunderte Millionen SWNTs einschließt. Der Durchmesser des CNT-Drahts 502 kann jedoch in Abhängigkeit von der Konzentration der kolloidalen CNT-Lösung 112 und der Geschwindigkeit des Herausziehens der Metallspitze 120 von einigen Mikrometern bis einige zehn Mikrometer variieren.
Unter erneutem Bezug auf 3, Block 340, wird der CNT-Draht 502 mit einem Polymer 804 beschichtet (dargestellt in 8, welche eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines verbesserten CNT-Drahts 800 aufzeigt, der mit einem Polymer 804 beschichtet ist). Zumindest ein Teil des CNT-Drahts 502 kann mit dem Polymer 804 beschichtet sein, um einen Schutz vor äußeren Kräften und/oder einer Beschädigung bereitzustellen. Nach einer zumindest teilweisen Beschichtung des CNT-Drahts 502 mit dem Polymer 804 kann der Gesamtdurchmesser des verbesserten CNT-Drahts 800 ungefähr 12 µm oder weniger betragen. Der CNT-Draht 502 kann auch vollständig mit dem Polymer 804 beschichtet sein. In einer speziellen Ausführungsform kann als das Polymer 804 PDMS verwendet werden. PDMS penetriert leicht zumindest teilweise in den Spalt g im Nanometermaßstab zwischen benachbarten CNTs 802, wie in 8 aufgezeigt, so dass die Dicke T der PDMS-Umhüllung des CNT-Drahts 502 im Allgemeinen geringer oder gleich 1 µm ist. Daher ist PDMS ein guter Kandidat, um die mechanische Festigkeit eines CNT-Drahts 502 zu erhöhen, ohne Flexibilität oder beliebige andere nützliche Eigenschaften des CNT-Drahts 502 zu verlieren. Das Polymer 804, das auf den CNT-Draht 502 aufgebracht werden kann, ist jedoch nicht auf PDMS beschränkt und kann andere Arten an Polymeren einschließen, die eine hohe mechanische Festigkeit und Flexibilität aufweisen, um den CNT-Draht 502 vor einer äußeren Beschädigung zu schützen, wie beispielsweise Polypropylen, Polyolefin, Polyurethan und dergleichen.
Es kann ein beliebiges der Vielzahl an bekannten Formverfahren verwendet werden, um den CNT-Draht 502 mit dem Polymer 804 zu beschichten. Beispielsweise kann ein Strangpressen verwendet werden, um das Polymer 804 auf den CNT-Draht 502 aufzubringen. Beim Strangpressen wird ein geschmolzenes Polymer mittels Druck durch eine geformte Düse gepresst, so dass der CNT-Draht 502 mit dem geschmolzenen Polymer beschichtet wird. Zur Beschichtung des CNT-Drahts 502 mit dem Polymer 804 können andere Arten an Formverfahren angewendet werden, wie sie beispielsweise zur Herstellung eines herkömmlichen elektrischen Drahts verwendet werden, wie Kalanderbeschichten, Tauchbeschichten und dergleichen.
Im Allgemeinen nimmt der Widerstand eines elektrischen Drahts zu, wenn die Temperatur ansteigt. Da jedoch der CNT-Draht 800 für den Durchgang der Elektronen eine Vielzahl an Wegen bereitstellt, stellt der CNT-Draht 800 trotz seines relativ geringen Durchmessers eine verbesserte Leitfähigkeit zur Verfügung. Im Vergleich mit dem CNT-Draht 502, bei dem die CNTs 602 durch relativ schwache Van der Waals-Kräfte an den benachbarten CNTs haften, weist der verbesserte CNT-Draht 800 eine relativ hohe Zugfestigkeit und Dauerhaftigkeit auf. Daher ist der verbesserte CNT-Draht 800, wie er hierin offenbart ist, in verschiedenen Anwendungen einsetzbar, einschließlich elektrischer Verbindungen für Mikroapparaturen, mikromechanischer Aktuatoren, Starkstromkabeln, Katalysatorträgern, künstlicher Muskeln, Mikrokondensatoren und dergleichen.
Im Lichte der vorliegenden Offenbarung wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass die Vorrichtungen und Verfahren, wie sie hierin beschrieben werden, in Hardware, Software, Firmware, Middleware oder Kombinationen davon eingesetzt werden können und in Systemen, Subsystemen, Komponenten oder Unterkomponenten davon verwendet werden können. Zum Beispiel kann ein in der Software implementiertes Verfahren einen Computercode oder Anweisungen zur Durchführung der Arbeitsschritte des Verfahrens einschließen. Dieser Computercode kann in einem maschinenlesbaren Medium wie einem prozessorlesbaren Medium oder einem Computerprogrammprodukt gespeichert sein oder als ein Computerdatensignal in Form einer Trägerwelle oder eines mittels eines Trägers modulierten Signals über ein Übertragungsmedium oder eine Kommunikationsverknüpfung übertragen werden. Das maschinenlesbare Medium oder prozessorlesbare Medium kann ein beliebiges Medium einschließen, das zur Speicherung oder Übertragung von Informationen in einer Form geeignet ist, die durch eine Maschine (z. B. durch einen Prozessor, einen Computer und dergleichen) lesbar und ausführbar ist.
Die vorhergehende ausführliche Beschreibung hat verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtungen und/oder Prozesse unter Verwendung von Flussdiagrammen und/oder Beispielen aufgeführt. Insofern solche Flussdiagramme und/oder Beispiele eine oder mehrere Funktionen und/oder Operationen enthalten, wird es dem Fachmann auf dem Gebiet selbstverständlich erscheinen, dass jede Funktion und/oder Operation innerhalb derartiger Flussdiagramme oder Beispiele einzeln und/oder zusammen mittels eines breiten Bereichs an Hardware, Software, Firmware oder nahezu jeglicher Kombination davon implementiert werden kann.
Dem Fachmann auf dem Gebiet wird es ferner selbstverständlich erscheinen, dass die allgemeinen Begriffe, wie sie hierin und insbesondere in den anhängenden Ansprüchen verwendet werden, im Allgemeinen als „offene Begriffe“ gedacht sind (zum Beispiel sollte der Begriff „einschließen“ interpretiert werden als „einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein“ und sollte der Begriff „mit“ interpretiert werden als „mit mindestens“).
Für die hierin offenbart Prozesse und Verfahren wird es dem Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich erscheinen, dass die in den Prozessen und Verfahren durchgeführten Funktionen in verschiedener Reihenfolge implementiert werden können. Ferner werden die dargestellten Arbeitsschritte als lediglich beispielhaft angegeben. Das heißt, einige der Arbeitsschritte können optional sein, mit weniger Arbeitsschritten kombiniert werden oder in zusätzliche Arbeitsschritte erweitert werden, ohne vom Wesen der offenbarten Ausführungsformen abzuweichen.
Aus dem Vorhergehenden wird deutlich, dass die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin beschrieben wurden, lediglich zum Zweck der Veranschaulichung gegeben wurden und dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß sind die verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen nicht als einschränkend gedacht im Hinblick auf den wahren Umfang und Geist der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffnanoröhrendrahts (CNT-Draht), das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Metallspitze und einer kolloidalen CNT-Lösung, Eintauchen der Metallspitze zumindest teilweise in die kolloidale CNT-Lösung, Herausziehen der Metallspitze aus der kolloidalen CNT-Lösung unter Ausbildung eines CNT-Drahts, wobei der CNT-Draht ohne Anlegen einer Spannung zwischen der Metallspitze und der kolloidalen CNT-Lösung ausgebildet wird, und Beschichten von zumindest einem Abschnitt des CNT-Drahts mit einem Polymer, wobei das Eintauchen ein Verweilenlassen der Metallspitze in der kolloidalen CNT-Lösung während einer vorbestimmten Zeit von ungefähr 2 Minuten bis ungefähr 10 Minuten umfasst, wobei das Herausziehen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2 mm/Minute bis ungefähr 5 mm/Minute durchgeführt wird, und wobei die Konzentration der CNT-Kolloide in der kolloidalen CNT-Lösung ungefähr 0,05 mg/ml bis ungefähr 0,2 mg/ml ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des PDMS weniger oder gleich ungefähr 1 µm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der CNT-Draht vollständig mit dem Polymer beschichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallspitze aus Wolfram (W) hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die kolloidale CNT-Lösung in einem Gefäß bereitgestellt wird und dass das Herausziehen ein im Wesentlichen vertikales Absenken des Gefäßes umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausziehen ein im Wesentlichen vertikales Anheben der Metallspitze umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausziehen ein gleichzeitiges Absenken eines die kolloidale CNT-Lösung enthaltenden Gefäßes und ein Anheben der Metallspitze umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der kolloidalen CNT-Lösung ein Dispergieren von gereinigten CNTs in Dimethylformamid (DMF) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gereinigten CNTs mit einer Konzentration von ungefähr 0,05 mg/ml in dem DMF dispergiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gereinigten CNTs einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausziehen bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausziehen bei Atmosphärendruck durchgeführt wird.
Kohlenstoffnanoröhrendraht (CNT-Draht), hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-13, umfassend: einen CNT-Draht, der eine Vielzahl an darin angeordneten CNTs einschließt, und ein Polymer, das den CNT-Draht zumindest teilweise bedeckt.
CNT-Draht nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Paar der CNTs ein Spalt dazwischen definiert wird und das Polymer zumindest teilweise in diesen Spalt penetriert vorliegt.
CNT-Draht nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS) ist.
CNT-Draht nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des PDMS geringer oder gleich 1 µm ist.
CNT-Draht nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, dass die CNTs einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) sind.
Prozessorlesbares Speichermedium, das Anweisungen speichert, die, wenn sie durch einen Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-13 steuert.