Graphene – Wundermaterial für Hochleistungsverbundstoffe und flexible Elektronik!

Graphen, ein Material, das aus einem einzigen Atomlagen-Netzwerk von Kohlenstoffatomen besteht, hat seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 die wissenschaftliche Welt im Sturm erobert. Dieses zweidimensionale Material, das nur ein Atom dick ist, besticht durch aussergewöhnliche Eigenschaften, die es zu einem vielversprechenden Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen machen. Von Hochleistungsverbundstoffen bis hin zur flexiblen Elektronik, Graphen eröffnet ungeahnte Möglichkeiten in verschiedenen Industriezweigen.

In diesem Artikel wollen wir uns eingehender mit den faszinierenden Eigenschaften, den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der Produktion dieses Wundermaterials befassen.

Die einzigartigen Eigenschaften von Graphen

Graphen zeichnet sich durch eine Reihe aussergewöhnlicher Eigenschaften aus, die es von anderen Materialien abheben:

• Hervorragende Festigkeit: Graphen ist das stärkste bekannte Material und weist eine Zugfestigkeit von über 130 Gigapascal auf. Dies bedeutet, dass Graphen etwa 200-mal stärker als Stahl ist.
• Hohe Leitfähigkeit: Graphen leitet Wärme und Elektrizität mit einer Effizienz, die bei Raumtemperatur unerreicht ist. Diese Eigenschaft macht es ideal für den Einsatz in elektronischen Geräten und Wärmeleitungsanwendungen.
• Flexibilität: Trotz seiner aussergewöhnlichen Festigkeit ist Graphen flexibel und kann gebogen oder gedehnt werden, ohne zu brechen.
• Optische Transparenz: Graphen absorbiert nur etwa 2,3% des Lichts, was es für transparente Elektroden und Displays interessant macht.

Anwendungen von Graphen – ein Blick in die Zukunft

Die vielseitigen Eigenschaften von Graphen eröffnen ein grosses Anwendungsspektrum in verschiedenen Bereichen:

• Hochleistungsverbundstoffe: Durch die Einlagerung von Graphen in Polymermatrizen können die mechanischen Eigenschaften des Materials signifikant verbessert werden. Dies führt zu leichteren, stärkeren und steiferen Verbundwerkstoffen, die in der Automobilindustrie, im Flugzeugbau und im Bauwesen Anwendung finden können.

• Flexible Elektronik: Die hohe Leitfähigkeit und Flexibilität von Graphen machen es zu einem idealen Material für flexible Elektronikgeräte wie Displays, Solarzellen und Sensoren.

• Batterien: Graphen kann als Elektrodenmaterial in Batterien eingesetzt werden. Durch seine grosse Oberfläche ermöglicht Graphen eine schnellere Ladung und Entladung der Batterie.

• Wasseraufbereitung: Graphenmembranen können zur Reinigung von Wasser verwendet werden. Ihre poröse Struktur erlaubt das Eindringen von Wassermolekülen, während Verunreinigungen zurückgehalten werden.

Produktion von Graphen – Herausforderungen und Entwicklungen

Die massenhafte Produktion von hochwertigem Graphen stellt eine Herausforderung dar. Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Graphen, darunter:

• Mechanisches Exfoliieren: Dieser Prozess beinhaltet das Abschaben von Graphenschichten aus einem Graphitkristall. Er liefert qualitativ hochwertiges Graphen, ist aber zeitaufwendig und nicht für die Massenfertigung geeignet.
• Chemisches Vapor Deposition (CVD): Bei diesem Verfahren werden Kohlenwasserstoffmoleküle auf eine beheizte Substratfläche deponiert. Die Moleküle zersetzen sich und bilden Graphenschichten. CVD ermöglicht die Herstellung grosser Mengen von Graphen, kann aber zu Fehlstellen in der Graphenstruktur führen.
• Reductive Exfoliation: Dieser Prozess verwendet chemische Reagenzien, um Graphitoxid in Graphen umzuwandeln.

Die Forschung auf dem Gebiet der Graphenproduktion ist dynamisch und neue Verfahren werden ständig entwickelt.

Die Zukunft von Graphen – ein spannender Ausblick

Graphen hat das Potenzial, viele Industriezweige zu revolutionieren. Seine aussergewöhnlichen Eigenschaften machen es zu einem vielseitigen Material für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Graphenproduktion ist dynamisch und neue Verfahren werden ständig entwickelt, die die Herstellung von hochwertigem Graphen in grossen Mengen ermöglichen könnten.

In den kommenden Jahren werden wir sicherlich noch mehr faszinierende Produkte und Technologien basierend auf diesem Wundermaterial erleben.