Dehnbare Leitungsdrähte aus Graphen

Forscher in China haben dehnbare und biegsame Fasern aus vernetzten Graphenflocken hergestellt und durch Dotierung mit Silberatomen hervorragend elektrisch leitfähig gemacht. Solche Fasern lassen sich in dehnbare elektrische Schaltungen einbauen oder zu leitfähigen Geweben verarbeiten.

Chao Gao von der Zhejiang University in Hangzhou und seine Kollegen griffen bei der Herstellung der „Gummidrähte“ auf ein Verfahren zurück, mit dem sie vor zwei Jahren erstmals zugfeste Fasern aus reinem Graphen produziert hatten, die viele Meter lang waren. Dazu haben sie in Dimethylformamid mikroskopisch kleine, oxidierte Graphenflocken gelöst, die sich ausrichteten und einen nematischen Flüssigkristall bildeten.

Der Flüssigkristall wurde durch eine Düse in ein Äthylacetatbad gedrückt, wo aus ihm ein Gel wurde. Aus diesem haben die Forscher Fasern gezogen, die anschließend aufgewickelt und getrocknet wurden. Die oxidierten Graphenflocken in den Fasern wurden mit Jodwasserstoff (HJ) oder Vitamin C (VC) reduziert, so dass sie sich über die freigewordenen Valenzen der Kohlenstoffatome an den Flockenrändern miteinander vernetzen konnten. Auf diese Weise wurden die Fasern zugfest und elastisch.

Um leitfähige Graphenfasern herzustellen, wandelten Gao und seine Mitarbeiter ihr Verfahren ab und fügten zu den oxidierten Graphenflocken in unterschiedlicher Menge Nanodrähte aus Silber hinzu. Den Silberanteil in den Fasern, die aus dem silberhaltigen Gel gezogen wurden, variierten sie zwischen fünf und fünfzig Massen-Prozent. Die Nanodrähte richteten sich längs der Faser aus. Die Reduktion mit HJ löste die Nanodrähte auf, sodass die Silberatome einzeln in der Faser verteilt waren. Vitamin C hingegen hatte eine mildere Wirkung und ließ in der Faser Bruchstücke der Nanodrähte übrig.

Während die reinen Graphenfasern eine Leitfähigkeit von 30.000 S/m² (HJ-Reduktion) bzw. 8000 S/m² (VC-Reduktion) hatten, zeigten die silberdotierten Fasern eine deutlich höhere Leitfähigkeit, die mit dem Silbergehalt schnell zunahm. Für HJ-Reduktion stieg die Leitfähigkeit bei etwa zwanzig Prozent Massenanteil Silber sprunghaft auf rund 90.000 S/m² an, während sie für VC-Reduktion stetig auf immerhin 22.000 S/m² kletterte. Auch die Durchschlagstromdichte, bei der die Faser unterbrochen wurde, nahm mit dem Silbergehalt um das 15-fache zu und erreichte 7000 A/cm². Die Durchschlagspannung lag bei etwa 80 Volt.

Zudem behielten die Graphenfasern auch nach Dotierung mit Silber eine hohe Zugfestigkeit von etwa 300 Megapascal, eine große Biegsamkeit und eine Dehnbarkeit von etwa 5,5 Prozent. Ein elastischer Schaltkreis, dessen Drähte aus silberdotierten Fasern bestanden, die bei der Herstellung vorgespannt und dann entspannt worden waren, ließ sich um 150 Prozent dehnen. Dabei konnte ein ausreichend starker Strom durch die Fasern fließen, sodass der Schaltkreis weiterhin funktionierte. Da Fasern mit einer Länge von vielen hundert Metern hergestellt werden können, eigenen sie sich für die industrielle Fertigung von dehnbaren Schaltungen.

Rainer Scharf

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