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Graphen: Anwendungsbeispiele der neuen Wunderwaffe in der Materialforschung

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Urheber: bonninturina | Fotolia

Von Dr. Matthias Pfeffer,

Das Material Graphen lässt sich nicht in eine der bisherigen Stoffklassen einordnen. Zum einen ist es das erste tatsächlich 2-dimensionale Material: Es ist eine Million Mal dünner als ein Blatt Papier. Zum anderen lässt sich Graphen nicht in die beiden Kategorien Metall oder Halbleiter einordnen. Es kann allerdings sowohl elektrischen Strom als auch Wärme extrem gut leiten. Diese neue Form des Kohlenstoff s ist härter als Diamant und außerordentlich reißfest.

Stellen Sie sich folgendes Gedankenspiel vor: Wenn man beispielsweise einen Draht aus Stahl von einem Hubschrauber hochziehen lassen würde, würde der Draht in einer Höhe von 28 Kilometern unter dem eigenen Gewicht reißen. Ein Draht aus Graphen würde es in diesem Gedankenexperiment indes auf eine Höhe von weit mehr als 1.000 Kilometern bringen. Es sind diese fantastischen Eigenschaften des Graphens, die schon einige Weltraumingenieure auf die Idee gebracht haben, man könnte vielleicht aus diesem Material einen Lift von der Erde in eine Satelliten-Umlaufbahn konstruieren. Doch dies bleibt vorerst Science-Fiction.

Kleiner, schneller, fester und leichter – die neue Form des Kohlenstoffs

Nicht allein die Möglichkeit einer weiteren Miniaturisierung von Transistoren und Mikrochips fasziniert die Techniker. Graphen-Transistoren lassen sich auch rund 100-mal schneller schalten als heutige Transistoren. Das heißt, Computer mit Graphen-Chips werden noch einmal deutlich höhere Rechengeschwindigkeiten ermöglichen.

Die ersten Anwendungen von Graphen wird es zweifelsohne in der Mikro- beziehungsweise Nano-Elektronik geben.

Eine andere erstaunliche Eigenschaft von Graphen, nämlich absolut undurchlässig für Gase zu sein, könnte schon bald bei der luftdichten Verpackung von Lebensmitteln und anderen technischen Anwendungen eine Rolle spielen.

Neue Regenkleidung oder Superfilter

Die an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich neue entwickelte Nano-Membran aus dem Wundermaterial Graphen ist extrem leicht und atmungsaktiv. Nicht nur eine neue Generation von funktioneller Regenbekleidung, sondern auch ultraschnelles Filtrieren könnte damit möglich werden. Forscher haben eine stabile poröse Membran hergestellt, die dünner ist als ein Nanometer. Das ist 100.000-mal weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die Membran besteht aus 2 Schichten Graphen, einem 2-dimensionalen Film aus Kohlenstoffatomen.

Denkbar wäre auch eine Anwendung, um Gasgemische in ihre Bestandteile aufzutrennen oder Verunreinigungen aus Flüssigkeiten zu filtrieren. Denn in der Studie haben die Wissenschaftler erstmals zeigen können, dass sich Graphenmembranen eignen, um Wasser zu filtrieren.

Schließlich können sich die Wissenschaftler den Einsatz der Membran in Geräten zur präzisen Messung und Charakterisierung von Strömungsphänomenen bei Gasen und Flüssigkeiten auf der Nanoebene vorstellen.

Anwendung: Revolution bei Stromspeichern

Neue Lithiumionen-Akkus sollen nicht nur deutlich mehr Strom speichern, sondern zugleich auch langlebig, stabil und sicher sein. Dieses Ziel im Blick entwickelten amerikanische Wissenschaftler nun eine neuartige Akku-Elektrode, die beiden Anforderungen im Laborversuch gerecht wurde. So ließen die Forscher winzige Körnchen aus Silizium komplett von mehreren, nur eine Atomlage dünnen Graphen- Schichten aus Kohlenstoff umhüllen. Das so entstandene Elektroden-Material – verwendet für den Minus-Pol eines Testakkus – zeigte eine hohe Ladekapazität und blieb über mehrere hundert Zyklen stabil.

Heute verbauen die Akkuhersteller meistens Anoden aus robustem Grafit, wie es auch in einer Bleistiftmine verwendet wird. Silizium allerdings könnte die Kapazität der Akkus theoretisch um das 10-Fache erhöhen. Doch die bisher entwickelten Silizium-Anoden hielten nicht lange genug, da sie bei der Aufnahme von Lithiumionen bis auf das 3-fache Volumen anschwellen können. Dieses Anschwellen kleiner Siliziumpartikel brachten die Forscher der Stanford University mit einer nur 10 Nanometer dünnen Hülle aus Graphen unter Kontrolle.

Bis zur Serienreife sind allerdings noch einige Hürden zu überwinden. So muss die Stabilität für mindestens 2.000 Ladezyklen belegt werden. Parallel gilt es, die Umhüllung von Siliziumpartikeln in einen großtechnischen Produktionsprozess zu überführen. Erst dann könnten Graphen-Silizium-Anoden bei der Herstellung von Lithiumionen-Akkus mit einem Vielfachen der heute erreichten Ladekapazität eingesetzt werden.

Fazit: Nur aus einer einzigen Atomlage besteht das Kohlenstoff - Material Graphen, das zudem ganz besondere mechanische und elektronische Eigenschaften aufweist. Graphen gilt als eines der viel versprechenden neuen Materialien überhaupt. Nicht ohne Grund herrscht in der Graphen-Forschung so etwas wie Goldgräberstimmung. Materialwissenschaftler bevorzugen das Material, weil es so stabil ist, weil die optischen Eigenschaften beeindruckend sind und weil es eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Anwendungen sind somit nahezu unbegrenzt.

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