Was ist Graphen und was kann es?

Wenn Sie in den letzten zehn Jahren in der Nähe einer wissenschaftlichen Zeitschrift waren, sind Sie auf eine Art Superlativ über Graphen gestoßen – das zweidimensionale Wundermaterial, das verspricht, alles von der Informatik bis zur Biomedizin zu verändern.

Dank einer Handvoll bemerkenswerter Eigenschaften gibt es viel Hype um die Anwendungen von Graphen. Es ist 1 Million Mal dünner als ein menschliches Haar, aber 200 Mal stärker als Stahl. Es ist flexibel, kann aber als perfekte Barriere fungieren und ist ein ausgezeichneter Stromleiter. Wenn Sie all das zusammenfassen, haben Sie ein Material mit einer Vielzahl potenziell revolutionärer Anwendungen.

Was ist Graphen?

Graphen ist Kohlenstoff, aber in einem ein Atom dicken Wabengitter. Wenn Sie in Ihren alten Chemieunterricht zurückgreifen, werden Sie sich daran erinnern, dass Materialien, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen, drastisch unterschiedliche Eigenschaften haben können, je nachdem, wie ihre Atome angeordnet sind (unterschiedliche Allotrope). Der Graphit in Ihrer Bleistiftmine zum Beispiel ist weich und dunkel im Vergleich zum harten und transparenten Diamanten in Ihrem Verlobungsring. Von Menschenhand geschaffene Kohlenstoffstrukturen sind nicht anders; die kugelförmigen Buckminsterfullerene wirken anders als die gewundenen Anordnungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Graphen besteht aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter. Von den oben genannten ist es in der Form dem Graphit am nächsten, aber während dieses Material aus zweidimensionalen Kohlenstoffschichten besteht, die Schicht für Schicht durch schwache intermolekulare Bindungen gehalten werden, ist Graphen nur eine Schicht dick. Wenn Sie eine einzelne, ein Atom hohe Kohlenstoffschicht von Graphit ablösen könnten, hätten Sie Graphen.

Die schwachen intermolekularen Bindungen in Graphit lassen es weich und flockig erscheinen, aber die Kohlenstoffbindungen selbst sind robust. Dies bedeutet, dass eine Platte, die ausschließlich aus diesen Kohlenstoffbindungen besteht, stark ist – etwa 200-mal stärker als der stärkste Stahl, und gleichzeitig flexibel und transparent ist.

Graphen wird seit langem theoretisiert und versehentlich in kleinen Mengen hergestellt, solange die Menschen Graphitstifte verwenden. Seine Hauptisolierung und Entdeckung ist jedoch auf die Arbeit von Andre Geim und Konstantin Novoselov im Jahr 2014 an der University of Manchester zurückzuführen. Die beiden Wissenschaftler führten Berichten zufolge „Freitag-Nacht-Experimente“ durch, bei denen sie Ideen außerhalb ihres Tagesgeschäfts testeten. Während einer dieser Sitzungen verwendeten die Forscher Klebeband, um dünne Kohlenstoffschichten von einem Graphitklumpen zu entfernen. Diese bahnbrechende Forschungsarbeit führte schließlich zur kommerziellen Produktion von Graphen.

Nachdem sie 2010 den Nobelpreis für Physik gewonnen hatten, spendeten Geim und Novoselov den Klebebandspender an das Nobel Museum.

Wofür kann Graphen verwendet werden?

Es ist wichtig zu beachten, dass Wissenschaftler alle Arten von Materialien entwickeln, die auf Graphen basieren. Das bedeutet, dass es wahrscheinlich besser ist, an „Graphene“ zu denken, genauso wie wir an Kunststoffe denken würden. Im Wesentlichen hat das Aufkommen von Graphen das Potenzial, zu einer ganz neuen Materialkategorie zu führen, nicht nur zu einem neuen Material.

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An Anwendungen wird in so unterschiedlichen Bereichen wie Biomedizin und Elektronik bis hin zu Pflanzenschutz und Lebensmittelverpackungen geforscht. Die Möglichkeit, die Oberflächeneigenschaft von Graphen zu modifizieren, könnte es beispielsweise zu einem hervorragenden Material für die Wirkstoffabgabe machen, während die Leitfähigkeit und Flexibilität des Materials eine neue Generation von Touchscreen-Schaltkreisen oder faltbaren tragbaren Geräten einläuten könnte.

Da Graphen eine perfekte Barriere für Flüssigkeiten und Gase bilden kann, kann es auch mit anderen Materialien verwendet werden, um eine Vielzahl von Verbindungen und Elementen zu filtern – einschließlich Helium, das ein außergewöhnlich schwer zu blockierendes Gas ist. Dies hat eine Reihe von Anwendungen in der Industrie, könnte sich aber auch für die Umweltanforderungen rund um die Wasserfiltration als sehr nützlich erweisen.

Die multifunktionalen Eigenschaften von Graphen öffnen die Türen zu einer enormen Anzahl von Composite-Anwendungen. Während viele Überlegungen angestellt wurden, wie bereits vorhandene Technologien verbessert werden können, werden kontinuierliche Fortschritte auf diesem Gebiet schließlich zu ganz neuen Bereichen führen, die zuvor unmöglich gewesen wären. Könnten wir sehen, wie eine ganz neue Klasse der Luft- und Raumfahrttechnik entsteht? Was ist mit optischen Augmented-Reality-Implantaten? So wie es aussieht, werden wir es im 21. Jahrhundert herausfinden.