Elegant eingelagert

Nur eine Atomlage dicke Kohlenstoff-Schichten lassen sich elegant in Polymere einlagern. Das Ergebnis sind vielseitige, leitfähige Materialien.

Evanston (USA) - Nanoröhrchen aus Kohlenstoff glänzen mit hervorragender Leitfähigkeit und Stabilität. Doch obwohl sich zahlreiche Arbeitsgruppen der Erforschung dieses noch relativ teuren Paradewerkstoffs der Nanotechnologie widmen, fristen günstigere, extrem dünne Kohlenstoffschichten - so genannte Graphene - bisher eher ein Schattendasein. Mit einem neuen Herstellungsprozess könnte sich dies nun ändern. In der Zeitschrift Nature berichten amerikanische Physiker, wie sie aus Graphit die nur eine Atomlage dünnen Schichten gewinnen und homogen in ein Trägermaterial aus Polymeren einbetten können. Es locken vielseitige und leitfähige Kompositwerkstoffe.

„Für Graphene-Schichten werden viele ungewöhnliche Eigenschaften vorhergesagt“, schreiben Rodney Ruoff und seine Kollegen von der Northwestern University in Evanston. Doch obwohl sich diese nanostrukturierten Kohlenstoff-Blätter heute schon von Graphit-Blöcken abschälen lassen, sind sie für viele technische Anwendungen zu filigran. Bettet man sie jedoch in sehr dünne Kunststoffträger ein, verleihen sie Polymerwerkstoffen – je nach Menge – elektrische Leitfähigkeit oder eine hohe Festigkeit. Allerdings erwies es sich bisher als sehr schwierig, die Graphene-Lagen homogen in solche Matrizen einzulagern.

In einem ersten Schritt oxidierte Ruoffs Arbeitsgruppe das Ausgangsmaterial Graphit mit Phenylisocyanat. Durch die dabei angedockten, hydrophoben Gruppen an den Oberflächen konnten kompakte Blöcke in einzelne, nur etwa einen Nanometer dünne Graphene-Lagen aufgetrennt werden. Diese chemisch veränderten, mittlerweile allerdings nicht mehr elektrisch leitenden Kohlenstoffschichten konnten wegen der Abstoßungseffekte der hydrophoben Gruppen gleichmäßig in organischen Polymer-Lösungen, beispielsweise auf der Basis von Polystyrol, verteilt werden. Erst danach behandelten die Forscher diese Zwischenstufe ihres Kompositmaterials mit einer reduzierenden Chemikalie (N,N-Dimethylhydrazin). Dadurch erreichten die Graphene-Schichten wieder ihre ursprüngliche elektrische Leitfähigkeit ohne miteinander zu verklumpen.

Aus diesem leitfähigen Polymer-Graphene-Gemisch konnten in Schmelz- und Pressprozessen etwa 0,4 Millimeter dünne Folien hergestellt werden. Doch auch andere Dicken und Formen dieses Kompositmaterials halten die Forscher für möglich. Testmessungen zeigten, dass nur ein geringer Anteil von 0,1 Volumenprozent Graphene den gesamten Kompositwerkstoff wieder leitfähig werden ließen. Mit einem Anteil von einem Volumenprozent erreichte Ruoff eine Leitfähigkeit von 0,1 Siemens. Diese liegt zwar unter der von Graphit selbst, reicht aber für viele elektrische Anwendungen aus.

„Die Vorteile dieser Graphene-Komposite liegen in den geringen Kosten und der großen Verfügbarkeit von Graphit“, bewertet Nicolas A. Kotov von der University of Michigan in einem begleitenden Kommentar den Erfolg von Ruoffs Arbeitsgruppe. Ihre Methode sei geeignet für eine industrielle Produktion in großem Maßstab. Diese Kompositmaterialien seien dabei leitfähiger als entsprechende Werkstoffe mit Kohlefaser-Anteilen und gleichzeitig günstiger als Materialien, in denen teurere Kohlenstoffnanoröhrchen verteilt wären. Nun wird diese Vermischungsmethode auch für weitere Polymere neben Polystyrol getestet.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Sasha Stankovich et al., Graphene-based composite materials, Nature 442, 282, (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04969
• Kommentar:
  Nicholas A. Kotov, Carbon sheet solutions, Nature 442, 254 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/442254a
• Northwestern University, Evanston:
  http://www.northwestern.edu
• Arbeitsgruppe Ruoff:
  http://bucky-central.mech.northwestern.edu

Weitere Literatur:

• Hintergrund Graphene/Nanoröhrchen:
  Reich, Stephanie / Thomsen, Christian / Maultzsch, Janina, Carbon Nanotubes - Basic Concepts and Physical Properties. (Wiley-VCH, Berlin, 2004). ISBN-10: 3-527-40386-8. ISBN-13: 978-3-527-40386-8.
  http://www.amazon.de/exec/obidos/ASIN/3527403868/prophysde-21
• Kotov, N. A., Dekany, J. H. & Fendler, J. H. Adv. Mater. 8, 637 (1996).
• Mamedov, A. A. et al. Nature Mater. 1, 190 (2002).
• Zhang, M., Atkinson, K. R. & Baughman, R. H. Science 306, 1358 (2004).
• Shaffer, M. S. P. & Windle, A. H. Adv. Mater. 11, 937 (1999).
• Yang, Y., Gupta, M. C., Dudley, K. L. & Lawrence, R. W. Nanotechnology 15, 1545 (2004).