Gesundheit: Zwiebelringe aus Kohlenstoff

Kohlenstoff-Fasern sind bis zu zehn Mal fester als Stahl – zumindest wenn sie gezogen werden. Auf Druck dagegen reagieren sie deutlich sensibler als das Metall. Einzelne Kohlenstoffschichten, von denen jede etwa zwei Millionstel Millimeter dick ist, knicken einfach ein. Das haben Forscher des Potsdamer Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung erstmals in einem Experiment beobachtet. „Eine Kohlenstoff-Faser ist wie eine Zwiebel aufgebaut“, sagt Peter Fratzl, Direktor des Instituts. Tausende Schichten aus Kohlenstoffatomen sind wie Zwiebelringe um einen Kern gewölbt und bilden eine Faser mit etwa zehn Mikrometern Durchmesser. Ein Haar ist doppelt so dick.

Um herauszufinden, was beim Biegen einer solchen Faser passiert, fädelten die Wissenschaftler beide Enden in eine dünne Röhre, so dass eine Schlaufe entstand. Je stärker sie an den Enden der Faser zogen, desto enger wurde die Schlaufe. Dann richteten sie einen stark fokussierten Röntgenstrahl auf die gebogene Faser. Da der Strahl nur 0,1 Mikrometer breit ist, konnten die Materialforscher einzelne Bereiche der Faser untersuchen. Sie stellten fest, dass die Röntgenstrahlen unterschiedlich stark gebeugt wurden – je nachdem, wo sie mit ihrer „Nanolupe“ hinschauten. Aus diesen Veränderungen berechneten die Potsdamer Wissenschaftler, wie sehr sich die Atome verschieben.

„Wie bei einer Gummiplatte, die man biegt, werden die äußeren Schichten gedehnt und die inneren zusammengedrückt“, erklärt Fratzl. Wird der Druck zu groß, knicken die Nanoschichten regelrecht ein und die Faser verliert an Festigkeit. Mit den neuen Entdeckungen der Nanolupe wollen die Materialforscher Kohlenstoff-Fasern, die in Raketen, Autos sowie für Tennisschläger verwendet werden, weiter verbessern. „Letztlich kann es aber nur ein Kompromiss sein“, sagt Fratzl. Um das Einknicken zu verhindern, müssen die einzelnen Schichten fester miteinander verbunden werden. Doch damit wird die Faser spröder und kann schneller brechen.