Forschung
Nr. 42

Von der Graphen-Hängematte bis zum Touchdisplay

Christine Cimzar-Egger | Büro für Öffentlichkeitsarbeit

Was kann Graphen, der neue Wunderstoff in der Wissenschaft, wirklich? Und welche Entwicklungen in der Forschung bieten Optimismus für absehbare Anwendungen? Beim TU Forum am 16. März wurden diese und andere Fragen von den TU Wien-Expert_innen vor und mit dem Publikum diskutiert.

„Theoretiker haben immer gesagt, man kann mit zweidimensionalen Materialien nicht arbeiten. Die Praktiker haben es aber trotzdem versucht“, schmunzelt Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien. Allen Skeptiker_innen zum Trotz haben zweidimensionale Materialien, deren bekanntester Vertreter Graphen ist, eine beachtliche Entwicklung hingelegt. Dabei hat sich gezeigt, dass es viele unterschiedliche zweidimensionale Materialien mit unterschiedlichsten Eigenschaften gibt. Einige, wie Bornitrid, eignen sich hervorragend als Isolatoren, andere, wie Molybändisulphid, als Halbleiter, wieder andere haben sogar supraleitende Eigenschaften. Das besondere an 2D-Materialien ist, dass sie diese Eigenschaften in einer Dicke von nur einer Atomlage zeigen. Dadurch wäre es beispielsweise möglich, unterschiedliche Lagen mit unterschiedlichen Eigenschaften übereinanderzustapeln.

„Zweidimensionale Materialien sind in einer Art Wabenstruktur konzipiert. Die Kräfte, die innerhalb dieser einen Lage arbeiten, sind vergleichsweise sehr stark. Die Bindung zu darüberliegenden Schichten hingegen eher schwach“, erklärt Florian Libisch vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. Das macht man sich für die Gewinnung von Graphen zunutze. So wurde der natürliche Ausgangsstoff – Graphit, der sich in jedem Bleistift befindet – hergenommen und Schicht für Schicht abgelöst. Man kann sich diesen Vorgang tatsächlich wie mit einem normalen Klebestreifen vorstellen. Inzwischen kann man Graphen aber „wachsen lassen“: Durch die Verbrennung von Methan auf einer Kupferoberfläche entsteht ein Rückstand, aus dem man nach weiterer Behandlung problemlos Graphen gewinnen kann.

„Für meine Forschung brauche ich frei stehendes Graphen, es muss sozusagen schweben. Um die Experimente mit Ionen und Elektronen durchführen zu können, dürfen sich keine Rückstände wie Substrate auf dem Graphen befinden. Daher stellen wir es nicht selbst her, sondern kaufen es in dieser reinen Form zu“, erzählt Elisabeth Gruber vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Sie hat Graphen für Forschungsexperimente im Rahmen ihrer Dissertation eingesetzt, um die Wechselwirkung von Ionen mit Materialien zu untersuchen.

Aber gibt es bereits Anwendungen von Graphen? Immerhin liest man immer wieder davon. „Die einfachste Variante ist es, Graphen oder zumindest eine mehrlagige Version davon, irgendwo beizumischen, beispielsweise einem Kunststoff. Aus diesem wird dann ein Motorradhelm erzeugt“, so Müller. „Solche Anwendungen sind leicht realisierbar, allerdings liegt die Qualitätsverbesserung für den Helm bei nur zirka 10 Prozent. Derzeit ist Graphen besonders als Schlagwort für die Vermarktung von Produkten ein Thema“, gibt sich Müller skeptisch.

Dabei könnten 2D-Materialien durchaus einiges leisten. So wäre eine Hängematte, die aus nur einer Atomlage Graphen besteht, stark genug um eine Katze zu tragen, bedenkt man das Stärkeverhältnis. Allerdings wäre die Handhabung doch etwas schwierig bei einer Dicke von nur einer Atomlage –noch dazu durchsichtig.

Interessanter wären da schon Anwendungen, die in Richtung Optoelektronik – Stichwort: Solarpanele – gehen. Könnte man Solarzellen erzeugen, die man wie Farbe einfach an die Hausmauer auftragen könnte, wäre das eine enorme Kosten und Zeitersparnis. „Bei Solarzellen stellt sich ja auch die Frage der Lebensdauer. Die Materialien, die derzeit verwendet werden, sind organische Halbleiter, die aus 3D-Materialien bestehen. Sie haben eine Kristallstruktur. Da sich aber an den Rändern andere Moleküle anlagern können, altern diese sehr schnell. Und bei einem 3D-Material ist der Alterungsprozess deutlich schneller als bei einem 2D-Material“, sagt Libisch.

Und welche Anwendungen wären noch vorstellbar? „Graphenanwendungen für Touchdisplays wären durchaus eine interessante Alternative. Allerdings könnte momentan das durchsichtige Graphen zwar für die Oberfläche verwendet werden, man könnte aber seine Flexibilität beispielsweise für biegsame Touchdisplays noch nicht ausnutzen. Dazu bräuchte man auch flexible elektronische Bauteile, die es derzeit noch nicht gibt“ denkt Müller laut nach. „Aber prinzipiell sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt. Man muss nur überlegen, welche Anforderungen man an ein extrem dünnes Material hätte.“ Auf die Frage aus dem Publikum, ob ein molekulares Sieb z.B. für die Entsalzung im Sinne eines kleinen, tragbaren Dialysegeräts denkbar wäre, geben sich die Expert_innen zustimmend. In Anlehnung an die Idee des molekularen Siebs wäre ebenfalls eine kosten- und zeitgünstigere Variante der DNA-Sequenzierung durchaus möglich. Das Sieb würde dann die entsprechenden Gene, die man untersuchen möchte, aussieben.

Zusammenfassend sind sich Publikum und Expert_innen einig, dass theoretisch vieles Dank der besonderen Eigenschaftenvielfalt von 2D-Materialien möglich ist. In der Praxis sind aber noch einige Entwicklungen notwendig, um diese Eigenschaften vollends ausnützen zu können.

Bilder: © TU Wien | Barbara Kusebauch 

Eventtipp: 22. TU Forum: Alles ist auch Chemie

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Chemie hat scheinbar einen schlechten Ruf, wird als etwas Schlechtes, ja sogar Giftiges gesehen. Dabei vergisst man aber, dass im Grunde die gesündesten Dinge ebenfalls auf chemischen Verbindungen basieren: Die unverkennbare Farbe von reifem Obst, der köstliche Geschmack frischen Gemüses – das alles können wir Dank der enthaltenen chemischen Verbindungen genießen. Aber warum denken wir automatisch an Toxine und Gefahrenstoffe? Warum denunzieren wir viele Produkte, weil “zu viel Chemie drin ist”? Und wo liegt das Zukunftspotential für eine “grünere” Chemie, besonders in Hinblick auf Energiegewinnung?

Am Podium: Anton Friedl (TU Wien), Marko Mihovilovic (TU Wien), Barbara Oberhauser (OMV AG) und Miriam M. Unterlass (TU Wien)

Moderation: Norbert Fiala, Wissensvermittler & ehem. Fernsehredakteur

Diskutieren Sie mit – Eintritt frei, Anmeldung erforderlich!

Zeit & Ort
4. Mai 2017, 19:00 Uhr
TU Wien, Campus Getreidemarkt, Getreidemarkt 9, Bauteil-BA (TUtheSky, 11.OG) 1060 Wien

Mehr zum Thema und Anmeldung unter: www.tuwien.ac.at/tu_forum

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