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Kohlenstoff – flach oder rund

Melanie Todt von der TU Wien untersucht Nanostrukturen und geht dabei an die Grenze dessen, was mit kontinuumsmechanischen Methoden berechnet werden kann.

Melanie Todt

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Kohlenstoff-Zwiebeln sind nicht das, was übrigbleibt, wenn beim Kochen die Pfanne zu heiß wurde. Sie gehören zu den Kohlenstoff-Nanostrukturen, mit denen sich Melanie Todt vom Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik beschäftigt. Diese winzigen Strukturen besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften. Allerdings ist es sehr kompliziert zu berechnen, wie sie sich unter mechanischer Belastung verhalten. Die klassischen Methoden, die man etwa benützt, um die Verformung von Turbinenschaufeln unter Lasteinwirkung zu berechnen, stoßen bei diesen winzigen Abmessungen an ihre Grenzen.

Neue Werkstoffe, bessere Halbleiter  Graphen gilt als große Zukunftshoffnung in der Materialwissenschaft: Es besteht aus einer einzigen Schicht von wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen. Die ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Materials lassen hoffen, dass man es in Zukunft für Halbleiterbauteile oder Nano-Verbundwerkstoffe verwenden kann. Stapelt man mehrere Graphen-Schichten, werden sie durch relativ schwache Van der Waals-Kräfte aneinander gebunden. So entstehen die sogenannten Kohlenstoff-Kristallite.

"Wir versuchen, bei diesen winzigen Strukturen kontinuumsmechanische Standardmethoden anzuwenden, stoßen dabei aber manchmal an Grenzen.“, sagt Melanie Todt. Man muss zum Beispiel die Dicke einer Graphenschicht kennen, um ihre Verformung mit Standardmethoden beschreiben zu können – doch wie definiert man die Dicke eines Films, der nur aus einer einzigen Atomlage besteht? Und welche physikalische Bedeutung hat diese “Dicke”? Dennoch spielt auch die Kontinuumsmechanik in diesem Bereich eine wichtige Rolle - denn für eine vollständige atomistische Beschreibung sind manche dieser Strukturen viel zu groß und kompliziert.

Kugelschalen über Kugelschalen
Untersucht hat Melanie Todt auch sogenannte „Kohlenstoff-Zwiebeln“. Sie entstehen aus kleinen Kohlenstoff-Kügelchen, den Fullerenen, auch „Buckyballs“ genannt. Wenn außen an einem solchen Nano-Kügelchen noch weitere Kohlenstoff-Schalen wachsen, entsteht eine Kohlenstoff-Zwiebel, deren Schichten ebenfalls durch Van der Waals-Kräfte aneinander gebunden sind. „Man hat festgestellt, dass es für solche Kohlenstoff-Zwiebeln eine Maximalgröße zu geben scheint“, sagt Melanie Todt. Beim Wachstum müssen sich die einzelnen Schichten etwas deformieren, um sich aneinander anschmiegen zu können. Dadurch entstehen  Druckspannungen in den äußeren Schichten, die irgendwann so groß werden, dass es zum Auftreten einer Instabilität kommt und die Zwiebel kollabiert.

„Unsere Berechnungen stimmen gut mit experimentellen Beobachtungen überein“, sagt Melanie Todt. Das Team am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik arbeitete mit einem Team an der Montanuniversität Leoben zusammen, um die Fragestellungen auf mehreren unterschiedlichen Ebenen bearbeiten zu können und verlässliche Resultate zu erhalten. Melanie Todt wurde bei der Erarbeitung ihrer Dissertation durch das Förderprogramm fFORTE WIT finanziert. Am 12. Dezember 2013 erhielt sie für ihre Dissertation den "Award of Excellence" des Wissenschaftsministeriums.