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06.03.2018 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Leitfähig, biokompatibel, druckbar

Autor:
Dieter Beste

Graphen ist als Werkstoff ein wahrer Tausendsassa. Zum Beispiel lassen sich Biosensoren einfach ausdrucken. Noch ist freilich das Material selbst der Engpass, Graphen schlicht zu teuer. Das soll sich ändern, verkündet die australische First Graphene.

Ende Februar konnte eine neue Graphen-Produktionsanlage der First Graphene im australischen Henderson die Produktion aufnehmen. Wie das Unternehmen bekannt gab, sei dies für die Graphenindustrie insgesamt ein Erfolg, denn bislang sei hochwertiges Graphen zu vernünftigen Preisen nicht in ausreichender Menge verfügbar, um sich als Werkstoff in der Breite durchsetzen zu können. Das von First Graphene verwendete Verfahren soll durch besonders geringe Investitionskosten hervorstechen. Zudem erlaube eine modulare Bauweise der Technologie, die Kapazitäten an einen schwankenden Bedarf anzupassen.

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Der Zusatz von Graphen kann die Eigenschaften vieler Materialien dramatisch erweitern. Dem Graphenmarkt würden von Branchenexperten zwar Wachstumsraten von 60 Prozent pro Jahr prognostiziert, doch befinde er sich noch in einer frühen Phase und müsse sich erst etablieren. Zu diesem Zweck will First Graphene eng mit potenziellen Kunden auch in Europa zusammen und ihnen Graphen in Testmengen für Forschung und Entwicklung von Produkten in Bereichen wie Batterietechnologie, Betonprodukte, Feuerschutzmitte, Farben und Lackierungen oder Polymere zur Verfügung stellen.

Supraleitung bei Raumtemperatur?

Graphen sorgt fast täglich für Überraschungen: In der Zeitschrift Nature berichten Physiker jetzt von ihrer Entdeckung, dass Graphen bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt supraleitend wird, wenn zwei Lagen dieses atomdicken Materials übereinander gelegt und in einem bestimmten "magischen Winkel" von 1,1 Grad gegeneinander verdreht werden. Die Entdeckung, so spekulieren die Forscher, könnte sich als ein wichtiger Schritt in der jahrzehntelangen Suche nach Raumtemperatur-Supraleitern erweisen.

Biosensoren aus Graphen einfach ausdrucken

Wie Graphen schon heute zu völlig neuen technischen Lösungen verhelfen kann, haben Fraunhofer Forscher jetzt am Beispiel von Biosensoren aufgezeigt. Die Wissenschaftler können die Sensoren einfach ausdrucken. Zellbasierte Biosensoren messen Veränderungen in Zellkulturen über elektrische Signale. Das geschieht mittels Elektroden, die zum Beispiel innerhalb einer Petrischale angebracht sind. Zerstören nun hinzugegebene Viren eine durchgängige Zellschicht auf den Elektroden, verringert sich der zwischen den Elektroden gemessene elektrische Widerstand. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Wirkung von Impfstoffen oder Medikamenten testen. 

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." (Peter Wellmann, Materialien der Elektronik und Energietechnik, Seite 161)

Kostenfaktoren bei elektrisch messenden Sensoren sind wesentlich das Elektrodenmaterial und eine aufwendige Fertigung. Die Elektroden bestehen bislang in der Regel aus einem bioverträglichen und elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Gold oder Platin, und für die Mikroelektrodenherstellung ist ein komplizierter lithografischer Prozess notwendig. Alternativ zu Edelmetallen kann Graphen als Werkstoff für die Elektroden verwendet werden. Die Vorteile des aus Kohlenstoff bestehenden Materials: Es ist elektrisch leitfähig, biokompatibel und lässt sich, sofern es in Form einer Tinte vorliegt, auf Oberflächen drucken.

Graphen-Tinte

Eine solche Graphen-Tinte haben sich Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT) aus St. Ingbert im Saarland zu Nutze gemacht. Gemeinsam mit Industriepartnern haben sie in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten M-era.Net-Projekt BIOGRAPHY einen Druckprozess entwickelt, der es ermöglicht, Biosensoren aus Graphen in großer Stückzahl im kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren herzustellen. "Unser Anlagen-Prototyp kann etwa 400 Biosensoren pro Minute auf eine Endlosfolie drucken", berichtet Thomas Velten, Abteilungsleiter Biomedizinische Mikrosysteme am IBMT.



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