Stärker als Stahl, dünner als Papier – Graphene könnte die Zukunft der Technologie sein
Technologische Fortschritte bestimmen den Lauf der Geschichte. Bronze und Eisen waren für die Ausbreitung antiker Gesellschaften so wichtig, dass ganze Epochen nach ihnen benannt wurden. Mit dem Aufstieg der amerikanischen Stahlindustrie breiteten sich Eisenbahnschienen vom Atlantik bis zum Pazifik aus, Metalladern, die das Blut einer Nation transportierten. Siliziumhalbleiter ermöglichten das Wachstum von Computern und den größten Aufschwung der Informationstechnologie seit der Druckerpresse. Diese Materialien prägten die Entwicklung der Gesellschaft und trugen dazu bei, zu bestimmen, welche Länder die Geopolitik dominierten.
Heute hat ein neues Material das Potenzial, die Zukunft zu verändern. Graphene, das als „Supermaterial“ bezeichnet wird, wird von Forschern auf der ganzen Welt erforscht. Graphene hat eine lange Liste wundersamer Eigenschaften, die es fast magisch erscheinen lassen, aber es könnte sehr reale und drastische Auswirkungen auf die Zukunft der Physik und des Ingenieurwesens haben.
Was genau ist Graphene?
Die einfachste Art, Graphene zu beschreiben, besteht darin, dass es sich um eine einzelne, dünne Graphitschicht handelt – das weiche, flockige Material, das in Bleistiftminen verwendet wird. Graphit ist ein Allotrop des Elements Kohlenstoff, das heißt, es besitzt die gleichen Atome, diese sind jedoch unterschiedlich angeordnet, was dem Material unterschiedliche Eigenschaften verleiht. Beispielsweise sind sowohl Diamant als auch Graphit Formen von Kohlenstoff, doch sie haben völlig unterschiedliche Natur. Diamanten sind unglaublich stark, während Graphit spröde ist. Die Atome von Graphene sind in einer hexagonalen Anordnung angeordnet.
Interessanterweise erhält Graphene, wenn es aus Graphit isoliert wird, einige wundersame Eigenschaften. Es ist nur ein Atom dick und das erste zweidimensionale Material, das jemals entdeckt wurde. Trotzdem ist Graphene auch eines der stärksten Materialien im bekannten Universum. Mit einer Zugfestigkeit von 130 GPa (Gigapascal) ist es mehr als 100-mal stärker als Stahl.
Obwohl Graphene so dünn ist, reicht seine unglaubliche Festigkeit bereits aus, um es erstaunlich zu machen, aber seine einzigartigen Eigenschaften enden damit noch nicht. Es ist außerdem flexibel, transparent, hochleitfähig und scheinbar undurchlässig für die meisten Gase und Flüssigkeiten. Es scheint fast so, als gäbe es keinen Bereich, in dem Graphene nicht brilliert.
Die Geschichte des Graphenes: Eine Rolle Klebeband und ein Traum
Graphit ist seit langem eine bekannte Größe (Menschen nutzen ihn seit der Jungsteinzeit). Seine atomare Struktur ist gut dokumentiert und Wissenschaftler haben lange darüber nachgedacht, ob einzelne Graphitschichten isoliert werden könnten. Bis vor Kurzem war Graphene jedoch nur eine Theorie, da die Wissenschaftler nicht sicher waren, ob es jemals möglich sein würde, Graphit in eine einzige, atomar dünne Schicht zu zerschneiden. Die erste isolierte Graphene probe wurde 2004 von Andre Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester entdeckt. Man könnte annehmen, dass sie die sagenumwobene Substanz mithilfe einer riesigen, teuren Maschine isolierten, aber das Werkzeug, das sie verwendeten, war amüsant einfach: eine Rolle Klebeband.
Beim Polieren eines großen Graphitblocks mit Klebeband bemerkten die Forscher außergewöhnlich dünne Flocken auf dem Band. Sie schälten Schicht für Schicht die Graphitflocken ab und produzierten schließlich eine möglichst dünne Probe. Sie hatten Graphene gefunden. Die Entdeckung war so bizarr, dass die wissenschaftliche Welt zunächst skeptisch war. Die populäre Fachzeitschrift Nature lehnte ihren Aufsatz zu dem Experiment sogar zweimal ab. Schließlich wurde ihre Forschung veröffentlicht und 2010 wurden Geim und Novoselov für ihre Entdeckung mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Anwendungsmöglichkeiten
Wenn Graphene nur eine seiner vielen hervorragenden Eigenschaften hätte, wäre es Gegenstand intensiver Forschung hinsichtlich seiner möglichen Verwendung. Graphene ist in vielerlei Hinsicht so bemerkenswert, dass es Wissenschaftler dazu inspiriert hat, über eine breite Palette von Verwendungsmöglichkeiten für das Material nachzudenken, in so unterschiedlichen Bereichen wie Verbrauchertechnologie und Umweltwissenschaften.
Flexible Elektronik
Zusätzlich zu seinen starken elektrischen Eigenschaften ist Graphene auch äußerst flexibel und transparent. Dies macht es für den Einsatz in tragbaren Elektronikgeräten attraktiv. Smartphones und Tablets könnten durch Graphene wesentlich langlebiger werden und sich vielleicht sogar wie Papier zusammenfalten lassen. Tragbare elektronische Geräte erfreuen sich in letzter Zeit wachsender Beliebtheit. Mit Graphene könnten diese Geräte noch nützlicher gemacht werden, da sie so konzipiert sind, dass sie eng an Gliedmaßen anliegen und sich beugen lassen, um verschiedene Formen von Übungen zu ermöglichen.
Die Flexibilität und mikroskopische Breite von Graphene eröffnen jedoch Möglichkeiten, die über reine Verbrauchergeräte hinausgehen. Es könnte auch in der biomedizinischen Forschung von Nutzen sein. Aus Graphene könnten kleine Maschinen und Sensoren hergestellt werden, die sich leicht und ungefährlich durch den menschlichen Körper bewegen, Gewebe analysieren oder sogar Medikamente an bestimmte Bereiche abgeben können. Kohlenstoff ist bereits ein wichtiger Bestandteil des menschlichen Körpers; ein wenig Graphene hinzuzufügen könnte nicht schaden.
Solarzellen/Photovoltaik
Graphene ist sowohl hochleitfähig als auch transparent. Daher hat es großes Potenzial als Material für Solarzellen. Normalerweise verwenden Solarzellen Silizium, das eine Ladung erzeugt, wenn ein Photon auf das Material trifft und ein freies Elektron freisetzt. Silizium gibt nur ein Elektron pro auftreffendem Photon frei. Untersuchungen haben gezeigt, dass Graphene für jedes auftreffende Photon mehrere Elektronen freisetzen kann. Daher könnte Graphene Sonnenenergie weitaus besser umwandeln. Schon bald könnten billigere, leistungsstärkere Graphene zellen einen massiven Anstieg erneuerbarer Energien bewirken.
Die photovoltaischen Eigenschaften von Graphene bedeuten auch, dass es zur Entwicklung besserer Bildsensoren für Geräte wie Kameras genutzt werden könnte.
Halbleiter
Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit könnte Graphene in Halbleitern eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit der Informationsübertragung deutlich zu erhöhen. Kürzlich führte das Energieministerium Tests durch, die zeigten, dass halbleitende Polymere Elektrizität viel schneller leiten, wenn sie auf eine Schicht Graphene gelegt werden, als auf eine Schicht Silizium. Dies gilt sogar, wenn das Polymer dicker ist. Ein 50 Nanometer dickes Polymer leitete Ladung besser, wenn es auf eine Graphene schicht gelegt wurde, als eine 10 Nanometer dicke Schicht des Polymers. Dies widersprach der bisherigen Annahme, dass ein Polymer Ladung umso besser leiten kann, je dünner es ist.
Das größte Hindernis für die Verwendung von Graphene in der Elektronik ist das Fehlen einer Bandlücke, der Lücke zwischen Valenz- und Leitungsbändern in einem Material, die, wenn sie gekreuzt wird, einen elektrischen Stromfluss ermöglicht. Die Bandlücke ermöglicht es halbleitenden Materialien wie Silizium, als Transistoren zu fungieren. Sie können zwischen Isolieren und Leiten eines elektrischen Stroms wechseln, je nachdem, ob ihre Elektronen durch die Bandlücke geschoben werden oder nicht.
Forscher haben verschiedene Methoden getestet, um Graphene eine Bandlücke zu verleihen; Im Erfolgsfall könnte dies zu viel schnellerer Elektronik mit Graphene führen.
Wasserfiltration
Die engen Atombindungen von Graphene machen es für nahezu alle Gase und Flüssigkeiten undurchlässig. Kurioserweise bilden Wassermoleküle eine Ausnahme. Da Wasser durch Graphene verdunsten kann, während dies bei den meisten anderen Gasen und Flüssigkeiten nicht möglich ist, könnte Graphene ein außergewöhnliches Filterwerkzeug sein. Forscher der Universität Manchester testeten die Durchlässigkeit von Graphene mit Alkohol und konnten sehr starke Spirituosenproben destillieren, da nur das Wasser in den Proben das Graphene passieren konnte.
Natürlich hat die Verwendung von Graphene als Filter Potenzial, das über die Destillation stärkerer Spirituosen hinausgeht. Graphene könnte auch bei der Reinigung von Wasser von Giftstoffen enorm hilfreich sein. In einer von der Royal Society of Chemistry veröffentlichten Studie zeigten Forscher, dass oxidiertes Graphene sogar im Wasser vorhandene radioaktive Materialien wie Uran und Plutonium anziehen kann, sodass die Flüssigkeit frei von Verunreinigungen bleibt. Die Implikationen dieser Studie sind enorm. Einige der größten Umweltgefahren der Geschichte, darunter Atommüll und chemischer Abfluss, könnten dank Graphene aus Wasserquellen gereinigt werden.
Da die Überbevölkerung weiterhin eines der dringendsten Umweltprobleme der Welt ist, wird die Aufrechterhaltung der Versorgung mit sauberem Wasser immer wichtiger. Tatsächlich leiden weltweit mehr als eine Milliarde Menschen an Wasserknappheit, und diese Zahl wird angesichts der aktuellen Trends nur noch weiter steigen. Graphene filter haben ein enormes Potenzial, die Wasserreinigung zu verbessern und so die Menge an verfügbarem Süßwasser zu erhöhen. Tatsächlich hat Lockheed Martin kürzlich einen Graphene filter namens „Perforene“ entwickelt, der laut Angaben des Unternehmens den Entsalzungsprozess revolutionieren könnte.
Aktuelle Entsalzungsanlagen nutzen eine Methode namens Umkehrosmose, um Salz aus dem Meerwasser zu filtern. Bei der Umkehrosmose wird Wasser durch Druck durch eine Membran bewegt. Um große Mengen trinkbares Wasser zu produzieren, sind enorme Mengen an Energie erforderlich, um Druck auszuüben. Ein Ingenieur von Lockheed Martin behauptet, ihre Perforene-Filter könnten den Energiebedarf hundertmal weniger senken als den anderer Filter.
MIT hat Graphene mit „Nanoporen“ hergestellt
Eine der offensichtlichsten Verwendungsmöglichkeiten von Graphene ist die Filtration, und die Ingenieure des MIT haben große Fortschritte dabei gemacht, die Fähigkeit von Graphene zur Molekültrennung zu perfektionieren. 2018 entwickelte ein Team am MIT eine Methode, um in Graphene schichten winzige, stecknadelkopfgroße Löcher zu erzeugen. Die Forscher am MIT verwenden einen „Rolle-zu-Rolle“-Ansatz zur Graphene herstellung. Ihr Aufbau umfasst zwei Spulen: Eine Spule führt eine Kupferschicht in einen Ofen ein, wo sie auf die entsprechende Temperatur erhitzt wird, dann geben die Ingenieure Methan und Wasserstoffgas hinzu, wodurch sich im Wesentlichen Graphene becken bilden. Der Graphene film verlässt den Ofen und wird auf die zweite Spule aufgewickelt crackstreams.
Theoretisch ermöglicht dieser Prozess die Bildung großer Graphene schichten in relativ kurzer Zeit, was für kommerzielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Die Forscher mussten den Prozess verfeinern, um die perfekte Form des Graphenes zu erreichen, und interessanterweise erwiesen sich die unvollkommenen Versuche auf dem Weg später als nützlich. Als das MIT-Team versuchte, Poren in Graphene zu erzeugen, verwendeten sie zunächst Sauerstoffplasma, um sie herauszuschneiden. Da sich dieser Prozess als zeitaufwändig erwies, wollten sie etwas schnelleres und suchten nach Lösungen in früheren Experimenten. Indem die Temperatur während des Graphene wachstums gesenkt wurde, entstanden Poren. Was während des Entwicklungsprozesses als Mängel auftrat, erwies sich letztendlich als nützliche Möglichkeit, poröses Graphene herzustellen.
Supraleitung
Kurz nachdem Wissenschaftler in Cambridge gezeigt hatten , dass Graphene in Kombination mit Praseodym-Cer-Kupferoxid als Supraleiter (ein Material ohne elektrischen Widerstand) fungieren kann, entdeckten Forscher am MIT eine weitere erstaunliche Eigenschaft: In der richtigen Konfiguration kann es offenbar auch allein als Supraleiter fungieren. Die Forscher stapelten zwei Graphene scheiben, versetzten sie jedoch um einen Winkel von 1,1 Grad. Laut einem in Nature veröffentlichten Bericht „suchten der Physiker Pablo Jarillo-Herrero vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und sein Team bei der Durchführung ihres Experiments nicht nach Supraleitung. Stattdessen untersuchten sie, wie sich die als magischer Winkel bezeichnete Ausrichtung auf Graphenes auswirken könnte.“
Sie entdeckten, dass, wenn sie Strom durch den unregelmäßigen Graphenes stapel leiteten, dieser als Supraleiter fungierte. Dieser einfache Prozess der Anwendung von Elektrizität macht Graphene einfacher zu untersuchen als eine ähnliche Klasse von Supraleitern, Kuprate, obwohl diese Materialien bei viel höheren Temperaturen Supraleitung zeigen. Die meisten Materialien, die Supraleitung zeigen, erreichen dies nur nahe der Temperatur des absoluten Nullpunkts. Einige sogenannte „Hochtemperatursupraleiter“ können bei Temperaturen um 133 Kelvin (-140 Grad Celsius) supraleitend sein, was relativ hoch ist; Schwefelwasserstoff zeigt unter ausreichendem Druck die Eigenschaft bei wundersamen -70 Grad Celsius !
Die Graphenes anordnung musste auf 1,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Die Forscher halten ihr Verhalten jedoch für ähnlich dem von Kupraten und hoffen, dass es ein viel einfacheres Material für die Untersuchung der unkonventionellen Supraleitung sein wird, die noch immer ein Forschungsgebiet ist Große Uneinigkeit unter Physikern. Da Supraleitung normalerweise nur bei so niedrigen Temperaturen auftritt, werden Supraleiter nur in teuren Maschinen wie MRT-Geräten verwendet. Wissenschaftler hoffen jedoch, eines Tages einen Supraleiter zu finden, der bei Raumtemperatur funktioniert, was die Kosten senken würde, da keine Kühleinheiten erforderlich sind.
In einer 2019 veröffentlichten Studie zeigten Forscher, wie das Verdrehen von Graphenes schichten in bestimmten „magischen“ Winkeln supraleitende Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen als zuvor erzeugen kann.
Mückenabwehr
Nur wenige Lebewesen sind so abscheulich wie die Mücke, da sie bei Stichen juckt und dazu neigt, schreckliche Krankheiten wie Malaria zu verbreiten. Glücklicherweise haben Forscher der Brown University mithilfe von Graphenes eine mögliche Lösung gefunden. Die 2019 veröffentlichte Studie zeigt, dass ein Graphenes film auf der Haut Mücken nicht nur am Stechen hindert, sondern sie sogar davon abhält, überhaupt auf der Haut zu landen. Eine mögliche Erklärung ist, dass das Graphenes die Mücken daran hinderte, Beute zu riechen.
Die Zukunft der Graphene forschung
Angesichts der scheinbar endlosen Liste an Stärken von Graphenes würde man erwarten, es überall zu finden. Warum wurde Graphenes dann nicht weit verbreitet? Wie bei den meisten Dingen kommt es auf das Geld an. Die Herstellung von Graphenes in großen Mengen ist immer noch extrem teuer, was seinen Einsatz in jedem Produkt, das eine Massenproduktion erfordert, begrenzt. Darüber hinaus besteht bei der Herstellung großer Graphenes schichten ein erhöhtes Risiko, dass winzige Risse und andere Fehler im Material auftreten. Egal wie unglaublich eine wissenschaftliche Entdeckung auch sein mag, die Ökonomie wird immer über den Erfolg entscheiden.
Abgesehen von Produktionsproblemen verlangsamt sich die Graphenes forschung keineswegs. Forschungslabore auf der ganzen Welt – darunter auch die Universität Manchester, wo Graphenes erstmals entdeckt wurde – melden kontinuierlich Patente für neue Methoden zur Herstellung und Verwendung von Graphenes an. Die Europäische Union genehmigte 2013 die Finanzierung eines Flaggschiffprogramms, das die Graphenes forschung für den Einsatz in der Elektronik finanzieren wird. Mittlerweile forschen große Technologieunternehmen in Asien an Graphenes, darunter auch Samsung.
Revolutionen passieren nicht über Nacht. Silizium wurde Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt, aber es dauerte fast ein Jahrhundert, bis Siliziumhalbleiter den Weg für den Aufstieg des Computers ebneten. Könnte Graphenes mit seinen fast mythischen Eigenschaften die Ressource sein, die die nächste Ära der Menschheitsgeschichte antreibt? Nur die Zeit wird es zeigen.