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Graphen im Großmaßstab Wettlauf um die Graphen-Herstellung

| Autor / Redakteur: Guido Deußing / Rainer Graefen

Graphen, ein neuer, vielversprechender synthetischer Werkstoff auf Kohlenstoffbasis, beflügelt nicht nur die Fantasie von Wissenschaftlern. Die EU will Graphen in der Anwendung sehen und fördert die Herstellung mit einem milliardenschweren Programm.

Innovativer Ansatz zur Graphenherstellung: 1. Einzelne Graphitmolekülen werden auf einen Träger aufgedampft. 2. Dreidimensionale Vernetzung durch Elektroneneinwirkung. 3. Tempern ermöglicht die Herstellung zweidimensionaler Graphenschichten.
Innovativer Ansatz zur Graphenherstellung: 1. Einzelne Graphitmolekülen werden auf einen Träger aufgedampft. 2. Dreidimensionale Vernetzung durch Elektroneneinwirkung. 3. Tempern ermöglicht die Herstellung zweidimensionaler Graphenschichten.
(Tuchanin)

Zahlreiche werkstoffspezifische Errungenschaften zeichnen unsere Zeit aus. Polymerbasierte Materialien nehmen dabei eine herausragende Position ein. Seit einiger Zeit beflügelt ein neuer „Kunststoff“ die Phantasie. Er ist das Garn, aus dem kluge Köpfe schon jetzt interessante Zukunftsvisionen spinnen.

Graphen gehört zu den Materialien mit der derzeit wohl größten Attraktivität: Es ist hauchdünn, mega-leicht und transparent. Es ist hochflexibel und dabei zug- und reißfester als Stahl. Dazu dient es auch als Strom- und Wärmeleiter und ist gasdicht.

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Dieses Eigenschaftsprofil birgt nicht nur aus Sicht von Materialwissenschaftlern enormes Potenzial. Graphen sei gar in der Lage, so wird orakelt, unsere technische Welt auf den Kopf zu stellen, ja regelrecht zu revolutionieren.

Milliardenprogramm pusht Graphenherstellung

Die Europäische Union hat im Rahmen der „Future and Emerging Technologies Flagship Initiative“ ein milliardenschweres Programm zur Förderung der Graphenforschung gestartet [1], an dem sich zahlreiche Unternehmen und wissenschaftliche Institutionen aus vielen Ländern beteiligen. Beflügelt wird das Engagement sicherlich nicht zuletzt von der Entscheidung des Nobelpreiskomitees, das im Jahr 2010 die höchste wissenschaftliche Auszeichnung in Physik den Wissenschaftlern Konstantin Novoselov und Andre Geim von der Universität Manchester zuerkannte. Die Physiker hatten etwas erreicht, was als unmöglich galt: die Bildung und Charakterisierung freier, einschichtiger Graphenkristalle.

Enorme Reaktionsfähigkeit des Kohlenstoffs

Bei Graphen handelt es sich um eine sehr dünne, zweidimensionale Modifikation von Graphit. Graphit ist wie Diamant eine Erscheinungsform des Kohlenstoffs, der in der Natur in reiner (kristalliner) Form vorkommt oder chemisch gebunden in Carbonaten, Kohlenstoffdioxid, Erdöl, Erdgas und Kohle. Seine Stellung im Periodensystem der Elemente lässt Chemiker leicht gewisse Rückschlüsse auf die enorme Reaktionsfähigkeit des Kohlenstoffs ziehen: Von allen Elementen bildet Kohlenstoff – nach Wasserstoff – die meisten Verbindungen. Und Kohlenstoff ist in der Lage, Ketten und Ringe mit sich selbst und anderen Elementen zu bilden sowie besonders beständige Verbindungen einzugehen.

Mittels Klebeband-Einsatz zur Nanometer-Schicht

In einem Diamanten sind die Kohlstoffatome räumlich stabil vernetzt; nicht ohne Grund ist Diamant eines der härtesten Materialien überhaupt. In Graphit ist der Kohlenstoff jedoch nicht räumlich, sondern lagen- beziehungsweise schichtweise vernetzt. Diese Schichten überlagern einander in einem mehr oder minder lockeren Verband, lassen sich daher auch vergleichsweise leicht voneinander ablösen, wie es Konstantin Novoselov und Andre Geim getan haben. Vereinfacht gesagt, haben sie mithilfe eines Klebebands, das sie mit der Klebeseite auf ein flaches Stück Graphit gedrückt und wieder abgezogen haben, den Graphit lagenweise abgetragen. Das Klebeband wurde mit der Klebeseite mehrfach auf andere Haftflächen gedrückt, bis schließlich nur noch eine Schicht vernetzter Kohlenstoffatome von wenigen Nanometern Dicke übrig war.

Innovativer Ansatz zur Herstellung von Graphen

Untersuchungen dieses Rückstands offenbarten die interessanten Eigenschaften des Graphens, wie etwa seine Transparenz oder elektrische Leitfähigkeit, die den Gedanken auch in Richtung ultradünner Solarzellen, hochleistungsfähiger Computerchips oder neuartiger Mobilfunkgeräte lenkten. Graphen ist außerdem in der Medizin-, der Automobil- oder der Luft- und Raumfahrttechnik im Gespräch.

Werfen wir einen Blick auf die strukturellen Details: Wer Graphen auf molekularer Ebene betrachtet, wird an die Struktur eines Maschendrahtzauns erinnert. Jede Masche ist einem Benzolring ähnlich, dessen Ecken von einem Kohlenstoffatom besetzt sind. Der „Graphenzaun“ lässt sich wie der Gartenzaun aufrollen und bildet lange, röhrenartige Strukturen, deren physikalische Eigenschaften die Fantasie von Forschern und Anwendern gleichermaßen beflügelt und eine Art Goldgräberstimmung in der Materialwissenschaft ausgelöst haben.

Graphen regt Phantasien an

Auf jeden Fall ist Graphen eines der derzeit vielversprechendsten Materialien überhaupt. Und das zu Recht, meint die Physikerin und Elektronenmikroskop-Spezialistin Ute Kaiser von der Universität Ulm, die sich seit Jahren mit Graphen beschäftigt. Denn offenkundig reicht die Forschervorstellung sogar soweit, dass man glaubt, eines Tages Seile daraus flechten zu können, mit denen man eine Raumstation in der Erdumlaufbahn halten könnte.

Graphen soll so bald wie möglich in die Anwendung kommen

Gemeinsam mit Kollegen von den Universitäten Bielefeld und Jena sowie dem Chemiekonzern BASF und dem Nanomembranhersteller CMM Technologies arbeitet Ute Kaiser an einem Projekt, das die Herstellung von Graphen-Nanomembranen zum Ziel hat: Die Nanofiltration, erklärt Projektkoordinator Andrey Turchanin, ist zur Entsalzung von Wasser sehr interessant aber auch für die Filtration von anderen Flüssigkeiten, Gasen und Biomolekülen. Die Kunst bestehe darin, durch Änderung der Porengrößen der Materialstruktur und -oberfläche die Membraneigenschaften an unterschiedliche Aufgaben anzupassen.

Das Vorhaben wird im Rahmen der Initiative „Graphene Flagship“ von der EU gefördert, die das „Wundermaterial“ Graphen nächstmöglich in der Anwendung sehen will. Da aber liegt der springende Punkt: Graphen in hinreichender Menge zu bezahlbaren Preisen zu erzeugen, erweist sich als Herausforderung, deren Bewältigung jedoch beflügelt wird vom Motto: Wer zuerst kommt, mahlt zuerst, sprich: dem gehört der Graphenmarkt. Diese Tatsache treibt Entwickler und Erfinder in aller Welt an.

China hält die meisten Graphen-Patente

Die Nase vorn hat laut IT-Magazin Chip derzeit noch China mit 2200 Graphenpatenten, gefolgt von den USA mit 1700 und Südkorea mit 1200 Patenten; Triebfeder ist vor alle die Idee, Akkus, Displays, Touchscreens und Smartphones mit Bauteilen aus Graphen innovativer zu machen und damit deren Absatz anzukurbeln. Wer am Ende obsiegen wird, bleibt abzuwarten. Vielleicht Deutschland, das schon früh in der Graphenforschung mitgemischt hat? Zumindest entwickeln einige Wissenschaftler hierzulande interessante und außergewöhnliche Ideen, um Graphen herzustellen. Saarbrücker Physiker etwa nutzen einen Fingerabdruck als Ausgangsstoff für die Gewinnung von Graphen [2].

Auf das Trägermaterial kommt es an

Das Standardverfahren zur Graphenherstellung ist die sogenannte chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition). Hierbei wird im Vakuum ein Kohlenwasserstoffgas auf einer hauchdünnen Metallfolie abgeschieden. Anschließend wird das daraus entstandene Graphen vom Trägermaterial gelöst und auf ein anderes Substrat übertragen – vorzugsweise auf einen Isolator für die elektronische Anwendung. Damit der Transferprozess das Graphengitter nicht beschädigt, sind Trägermaterialien von Interesse, die einatomige Kohlenstofflage nur schwach auf ihrer Oberfläche binden. Nachteil ist, der Abscheideprozess des Kohlenstoffs auf der Metallfolie wird erschwert.

Das Ende der Entwicklungsstrecke ist noch nicht abzusehen

Die Physiker der Universität des Saarlandes haben daher bereits 2009 gemeinsam mit Forschern aus Nottingham und Augsburg ein alternatives Verfahren zur Graphegewinnung entwickelt, welches auf der Abscheidung flüssiger Kohlenstoffverbindungen beruht (LPD, Liquid Precursor Deposition).

„Bei der LPD wird eine synthetische Kohlenstoffverbindung in flüssiger Form mithilfe einer Spritze so auf das Trägermaterial aufgetragen, dass sie einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm bildet“, erklärt der Saarbrücker Physiker Frank Müller.

Nach der Überführung in ein Vakuum verdampfen die Ausgangsstoffe, die auch Vorläufermoleküle oder Precursoren genannt werden – bis auf eine einzige Lage von Molekülen. Durch Temperaturerhöhung zersetzen sie sich schrittweise, bis letztlich nur noch Kohlenstoff zurückbleibt, der sich zu dem wabenartigen Graphengitter vernetzt.

Neue Methode funktioniert auch auf Metallen

Bei diesem Verfahren könnten die Substrate genügend Kohlenstoff für das Graphenwachstum aus der flüssigen Phase aufnehmen, selbst dann, wenn sich das Graphen nur schwach anbinden ließe. Ein Vorteil der neuen Methode sei darin zu sehen, dass sie auch auf Metalloberflächen wie Silber funktioniert, was mit dem klassischen CVD-Verfahren bislang nicht möglich war.

Was bedeutet, dass sich die Graphengitter ohne Beschädigung ablösen lassen: Graphen und Trägermaterial haften aneinander wie zwei nasse Blätter Papier. Man könnte eines leicht wegnehmen, ohne das andere zu zerstören, beschreibt Müller.

Unempfindliches Verfahren zur Graphen-Gewinnung

Um nachzuweisen, dass die LPD-Synthese ein robustes Verfahren darstellt, das auch unter ungünstigsten Voraussetzungen funktioniert, wagten die Wissenschaftler ein besonderes Experiment: Anstatt eine synthetische Kohlenstoffverbindung mit der Spritze aufzutragen, tippten sie einmal mit einer buchstäblich verschwitzten Fingerspitze auf das Trägermaterial. „Ein Fingerabdruck auf der Probe ist eigentlich ein Tabu in der Oberflächenanalytik“, sagt Frank Müller. Schweiß bestehe aus einem unkontrollierten Gemisch zahlreicher komplexer Kohlenstoffverbindungen, unter anderem Fettsäuren und Salze.

LPD-Prozess ist viel versprechend

Trotz dieser ungünstigen Versuchsbedingungen stellten die Wissenschaftler fest, dass die Flüssigkeit des Fingerabdrucks bei der LPD-Synthese ebenso gut wie ein synthetischer Precursor funktioniert: „Mit dem LPD-Verfahren kann man auch Substrate nutzen, die mit der klassischen CVD-Methode bislang nicht zugänglich sind.“ Diese Tatsache eröffnet neue Möglichkeiten für den Transfer von Graphen auf andere Trägermaterialien – ein Aspekt, dem aktuell im Rahmen der EU-Forschungsinitiative „Graphene Flagship“ eine zentrale Rolle zugeschrieben wird.

Es kann aber noch lange dauern...

Allerdings bleibt bei aller Euphorie und bei allem Engagement die Frage, wann damit gerechnet werden kann, Graphen im industriellen Maßstab produzieren und einsetzen zu können. Schenkt man den Physik-Nobelpreisträgern des Jahres 2010 Glauben, ist Geduld die Fähigkeit, in der Anwender sich üben sollten: Von der Entwicklung eines neuen Materials bis zu seiner Alltagstauglichkeit könnten ihrer Meinung nach durchaus 40 Jahre vergehen.

Literatur

[1] http://ec.europa.eu/digital-agenda/en/fet-flagships sowie http://graphene-flagship.eu/

[2] Frank Müller et al., Graphene from Fingerprints: Exhausting the Performance of Liquid Precursor Deposition, Langmuir, 2014, 30 (21), pp 6114–6119, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la500633n

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