Wundermaterial Graphen

Dünnstmögliche Membran hat bessere Filterfähigkeiten als Goretex

| Autor / Redakteur: Fabio Bergamin/ETH Zürich / Rainer Graefen

Künstlerische Darstellung der zweischichtigen Graphenmembran (graue Wabenstruktur) mit Molekülen (blau), welche – je nach Grösse – durch Poren passieren können.
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Künstlerische Darstellung der zweischichtigen Graphenmembran (graue Wabenstruktur) mit Molekülen (blau), welche – je nach Grösse – durch Poren passieren können. (Illustration: Ben Newton / ETH Zürich)

Eine neue Nano-Membran aus dem Wundermaterial Graphen ist extrem leicht und atmungsaktiv. Nicht nur eine neue Generation von funktioneller Regenbekleidung, sondern auch ultraschnelles Filtrieren könnte damit möglich werden. Die Membran der ETH-Forscher ist so dünn, wie es technisch nur geht.

Forschende haben eine stabile poröse Membran hergestellt, die dünner ist als ein Nanometer. Das ist Hunderttausend Mal weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Die Membran besteht aus zwei Schichten des oft als Wundermaterial gepriesenen Graphen, einem zweidimensionalen Film aus Kohlenstoffatomen, in das die Wissenschaftler unter der Leitung von Hyung Gyu Park, Professor am Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich, winzige Poren von genau definierter Größe ätzten.

Ganze Reihe von Anwendungen

So ist die Membran durchlässig für kleinste Moleküle. Größere Moleküle und Partikel hingegen können sie entweder nur langsam oder gar nicht passieren. "Mit der Dicke von nur zwei Kohlenstoffatomen ist dies die dünnste technisch machbare poröse Membran überhaupt", erläutert ETH-Doktorand Jakob Buchheim, einer der Erstautoren der Studie, welche die ETH-Forscher zusammen mit Wissenschaftlern der Empa und einem Forschungslabor von LG Electronics durchführten und in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten.

Dereinst könnte die ultradünne Graphenmembran eine ganze Reihe von Anwendungen finden, etwa in funktioneller Regenbekleidung. "Unsere Membran ist nicht nur sehr leicht und flexibel, sondern vor allem tausendmal atmungsaktiver als Goretex", sagt Kemal Celebi, Postdoc in Parks Gruppe und ebenfalls Erstautor der Studie.

Denkbar wäre auch eine Anwendung um Gasgemische in ihre Bestandteile aufzutrennen oder um Verunreinigungen aus Flüssigkeiten zu filtrieren. Denn in der Studie haben die Wissenschaftler erstmals zeigen können, dass sich Graphen-Membranen überhaupt eignen, um Wasser zu filtrieren.

Schließlich können sich die Wissenschaftler den Einsatz der Membran in Geräten zur präzisen Messung und Charakterisierung der Strömungsphänomene von Gasen und Flüssigkeiten auf der Nanoebene vorstellen.

Durchbruch in der Nanofabrikation

Den Forschernn gelang es nicht nur, ihr Ausgangsmaterial, eine zweischichtige Graphen-Folie, mit einer außergewöhnlich hohen Reinheit herzustellen, sondern sie konnten auch die Poren mit hoher Genauigkeit in den Graphen-Film schießen.

Dazu verwendeten sie die sogenannte Ionenfeinstrahltechnik (FIB), die auch bei der Herstellung von Halbleitern zum Einsatz kommt. Dabei wird ein Strahl von Helium- oder Galliumionen hochpräzise gesteuert, um Material abzutragen.

So konnten die Wissenschaftler Poren in unerreichter Präzision und der gewünschten Anzahl und Größe in das Graphen bringen. Dieser Arbeitsschritt dauerte nur wenige Stunden, früher brauchte es dazu mehrere Tage. "Die Herstellung der Membran war nur dank dieses Durchbruchs in der Nanofabrikation möglich", sagt Ivan Shorubalko, Wissenschaftler an der Empa, der an der Arbeit beteiligt war.

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