Chemisch einfache Methode zur Graphenerzeugung entwickelt Graphen: Flachkristalle mit Superkräften - scinexx | Das Wissensmagazin
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Chemisch einfache Methode zur Graphenerzeugung entwickelt

Graphen: Flachkristalle mit Superkräften

Graphen ist ein zweidimensionaler Kristall aus Kohlenstoff¬atomen, die durch starke Bindungen in einer Honigwabenstruktur angeordnet sind. Mit Hilfe von Alkalimetallen (blau) werden einzelne Graphenschichten von einem Graphitkristall abgespalten. Abstandshalter-Moleküle (gelb) verhindern, dass sich das Graphen wieder am Graphit anlagert. © Frank Hauke

Die Kohlenstoffverbindung Graphen gilt als vielversprechendes Material der Zukunft – für Werkstoffe wie für die Elektronik. Jetzt haben Chemiker ein Verfahren entwickelt, das die Produktion solcher Kohlenstoffkristalle in großen Mengen erlaubt. Wie sie in „Nature Chemistry“ berichten, ist es ihnen gelungen, ohne mechanische Einwirkung isolierte Graphenschichten herzustellen und diese in nur einem weiteren Schritt mit maßgeschneiderten Eigenschaften auszustatten.

Dem Kohlenstoff gehört die Zukunft. Materialwissenschaftler sehen in dem Stoff, der in seiner reinen Form in der Natur als Graphit und Diamant vorkommt, enormes Potenzial, zum Beispiel für die Herstellung von Hochleistungswerkstoffen und molekularer Elektronik. Besonders vielversprechend erscheinen künstlich hergestellte Kohlenstoffstrukturen, deren physikalische und chemische Eigenschaften die Forscher gezielt beeinflussen können – wie das sogenannte Graphen. In ihm bilden die Kohlenstoffatome eine zweidimensionale Schicht. Im Vergleich zu anderen Kristallen hat Graphen außergewöhnliche Eigenschaften, von denen erwartet wird, dass sie zu neuen Entwicklungen in der Mikro- und Nanoelektronik, Sensorik und Displaytechnologie führen werden.

Graphenerzeugung per „Abstandshalter“

Bisher konnte man Graphen nur mechanisch, zum Beispiel durch den Einsatz von spezialisierten Seifen und Ultraschall, in mehreren Einzelschritten herstellen. Jetzt gelang es Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) erstmals auf chemischem Weg, Graphenschichten von Graphit abzuspalten und in nur einem weiteren Schritt die Eigenschaften des neuen Materials zu verändern. Die Schwierigkeit in diesem Prozess ist, zu verhindern, dass sich die abgespaltene Kristallschicht sofort wieder am Graphit anlagert. Deshalb verankern die Chemiker Moleküle als „Abstandshalter“ am Graphen.

An diesen Abstandshaltern können die Forscher weitere Moleküle andocken, die dem Graphen ganz bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften verleihen. Mit der Entwicklung des neuen chemischen Verfahrens ist den Erlanger Forschern ein entscheidender Schritt gelungen, Graphen in großen Mengen herzustellen – eine essenzielle Voraussetzung für die industrielle Weiterverarbeitung.

Hundertfache Zugfestigkeit von Stahl

Praktische Einsatzmöglichkeiten für das synthetische Material gibt es viele: zum Beispiel in transparenten Elektroden für die Display- oder Solarzelltechnologie oder in Sensoren mit bislang unerreichten Empfindlichkeiten, die sogar einzelne Atome aufspüren können. Die Honigwabenstruktur von Graphen ist extrem strapazierfähig. So zeigt das Material entlang seiner Ebene eine herausragende Zugfestigkeit, welche die von konventionellem Stahl um mehr als das Hundertfache übersteigt – und das bei einem Gewicht von nur rund einem Gramm auf 1.300 Quadratmeter. Dies entspricht etwa der Fläche eines Wettkampfschwimmbeckens.

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Ein weiterer Effekt der atomaren Struktur betrifft die Ladungsträger selbst. Diese bewegen sich im Material so ungewöhnlich schnell, als besäßen sie keine Masse und lassen auf Computer mit Taktraten hoffen, die hundertmal höher sind als die moderne Silizium-Technologie erlaubt. Noch verhindert die elektrische Leitfähigkeit der Graphene effektive Schaltprozesse und damit den Einsatz in modernen Computerchips. (Nature Chemistry, 2011; DOI: 10.1038/nchem.1010)

(Universität Erlangen-Nürnberg, 25.03.2011 – NPO)

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