Jagd auf zweidimensionale Materialien

Um Werkstoffe mit neuen Eigenschaften zu finden, richten Forscher ihr Augenmerk auf flächiges Material, das nur eine Atomlage dick ist. Neue 2D-Materialien sind fette Beute in einem Rennen, zu dem Graphen 2004 das Startsignal gab.

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Es ist immer noch unglaublich, mit welch einfachem Trick es gelang, Graphen zu isolieren und technisch nutzbar zu machen: "Mit der als Scotch-Tape bekannt gewordenen Methode (deutsches Analogon = Klebestreifen-Methode) gelang es den beiden Forschern Andre Geim und Konstantin Novoselov im Jahr 2004 auf verblüffend einfache Weise, einzelne Graphen-Schichten durch Ablösen von Graphit zu isolieren und umfassend physikalisch zu charakterisieren", berichtet Peter Wellmann im Buchkapitel "Graphen und weitere Kohlenstoffallotrope". Graphen war schon lange theoretisch postuliert, aber bis zur Entdeckung durch Geim und Novoselov, die dafür 2010 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, war unklar, ob das 2D-Material je würde stabil existieren können.

Seither gilt Graphen als neues Material mit interessanten Werkstoffeigenschaften: eine extrem große Ladungsträgermobilität, eine hohe optische Transparenz, ein chemisch inertes Verhalten, eine große mechanische Stabilität und eine verschwindend kleine Gaspermeabilität, zählt Wellmann auf. Eine ideale, unendlich ausgedehnte Graphen-Schicht zeige metallisches Verhalten. Und unter besonderen Randbedingungen bilde sich eine elektronische Bandlücke mit halbleitenden Materialeigenschaften aus – kurzum: "Graphen gilt als eines der vielversprechendsten neuen elektronischen Materialien mit zahlreichen Anwendungen in der (Mikro-)Elektronik, Optoelektronik, Batterie- und Brennstoffzellentechnologie, um nur einige Bereiche zu nennen" (Seite 153).

Längst spielt bei seiner Produktion der Tesafilm keine Rolle mehr. Heute lassen sich, unter anderem dank der Fortschritte, die das Graphene Flagship ermöglicht hat, hohe Mengen an Graphen mit einer zuverlässigen und reproduzierbaren Qualität herstellen, berichten Forscher des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) in einer Studie und geben einen Überblick über die Auswirkungen, die Graphen und verwandte Materialien auf Produktionsprozesse und die Entstehung neuer Wertschöpfungsketten haben werden. "Bis 2030 werden wir sehen, ob Graphen wirklich so disruptiv ist wie Silizium oder Stahl", sagt Henning Döscher, der am Fraunhofer ISI die Arbeiten des Graphen-Roadmap-Teams leitet. 

Darüber hinaus habe das Graphene Flagship die Entdeckung tausender geschichteter Materialien vorangetrieben, die in ihren Eigenschaften und Anwendungen komplementär zu Graphen zu sehen seien, heißt es in der ISI-Studie. Einen Eindruck von der Vielfalt der Arbeiten zu 2D-Materialien verschafft das Buchkapitel "Synthesis of Two-Dimensional (2D) Nanomaterials". Darin betrachten die Springer-Autoren unter anderem (ab Seite 71) auch 2D-Polymere, die sich aufgrund ihrer spezifischen   Kombination aus Porosität und Schichtstruktur gut für Energiespeicheranwendungen eignen würden. Die zentrale Herausforderung bei der 2D-Polymersynthese bestehe darin, die Kettenentwicklung in zwei Dimensionen zu begrenzen.

2D-Materialien durch Selbstorganisation und Photopolymerisation

Hier setzt ein internationales Forschungsprojekt von Mitgliedern der Technischen Universität München, des Deutschen Museums und der Universität Linköping in Schweden an. Das Team hat ein Verfahren entwickelt, um zweidimensionale Polymere mit nur einer Moleküllage durch Lichteinwirkung auf einer Graphitoberfläche herzustellen, wie die Wissenschaftler aktuell in "Nature Chemistry" berichten. Als Ausgangspunkt nahmen sie ein Molekül namens "Fantrip" – eine Verbindung zweier Kohlenwasserstoffe, fluoriertes Anthracen und Triptycen – daher der Name. Die spezifischen Eigenschaften von Fantrip bewirken, dass sich die Moleküle spontan qua Selbstorganisation zu einer Struktur anordnen, wenn sie auf eine mit einer ultradünnen Wachsschicht überzogenen Graphitoberfläche abgeschieden werden. Sodann haben die Forscher diese Struktur mit Hilfe von Licht über Photopolymerisation fixiert. Das Ergebnis ist ein poröses zweidimensionales Polymer, das einen halben Nanometer dick ist und aus mehreren hunderttausend identisch verknüpften Molekülen besteht. Entstanden ist also ein Material mit nahezu perfekter Ordnung auf der atomaren Ebene.

Selbstorganisierte Moleküle mit Licht fixieren

"Die Herstellung kovalenter Bindungen zwischen Molekülen erfordert viel Energie. Die gängigste Art der Energiezufuhr ist die Erhöhung der Temperatur. Sie versetzt jedoch auch die Moleküle in Bewegung und lässt so die selbst-organisierte Struktur verschwimmen. Werden die kovalenten Bindungen dagegen mit Licht erzeugt, bleibt die Struktur erhalten und wird auf diese Weise fixiert – genau so, wie wir es wollen", sagt Markus Lackinger, Forschungsgruppenleiter am Deutschen Museum und der Technischen Universität München.

Damit das Material nicht verunreinigt wird, erfolgte die Polymerisation im Vakuum. Das fertige zweidimensionale Polymer sei jedoch auch unter atmosphärischen Bedingungen stabil, was für zukünftige Anwendungen entscheidend ist. Lackinger: "Die naheliegendste Anwendung ist die Verwendung des Materials als Filter oder Membran, aber auch Anwendungen, von denen wir derzeit keine Vorstellung haben, in ganz anderen Zusammenhängen könnten sich schon in naher Zukunft abzeichnen. Deshalb ist Grundlagenforschung so spannend."

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