Graphen-Nano-Membranen nach Maß

„Graphen gilt als eines der vielver­sprechenden neuen Materialien überhaupt. Nicht ohne Grund herrscht in der Graphen-Forschung so etwas wie Goldgräber­stimmung“, sagt Ute Kaiser. Die Physik­professorin leitet die Material­wissen­schaft­liche Elektronen­mikro­skopie an der Universität Ulm und forscht bereits seit 2007 an der elektronen­mikro­skopischen Charakte­risierung von Graphen. Mit der Universität Bielefeld, dem Chemie-Konzern BASF und dem Nano­membran­hersteller CNM Technologies wurde nun ein gemein­sames Projekt entwickelt, das im Rahmen der „Leitinitiative zu neuen und künftigen Techno­logien“ der Europä­ischen Kommission gefördert wird. Das Eine-Milliarde-schwere, auf zehn Jahre ausgelegte EU Graphene Flagship gehört zu den bislang größten europäischen Forschungs­initiativen und soll die europäische Vorreiterrolle in der Graphen-Forschung sichern.

Insgesamt sind mehr als 140 Organi­sationen aus 23 Ländern an diesem europäischen Konsortium beteiligt, darunter überwiegend Hochschulen, Forschungs­einrichtungen und Wirtschafts­unternehmen. 66 neue Partner sind nun im Rahmen der neuen Aus­schreibungs­runde hinzugekommen. Hierfür waren weit mehr als zweihundert Vorschläge eingereicht worden, an denen insgesamt 738 Organi­sationen aus 37 Ländern beteiligt waren. „In unserem Projekt entwickeln wir eine einzig­artige Methode zur industri­ellen Herstellung von Graphen-Nano-Membranen. Wir kümmern uns auf dem Graphen-Flagg­schiff um eine ganz spezielle Anwendung: die Nano-Filtration“, informiert Projekt­koordinator Andrey Turchanin von der Universität Bielefeld.

Das Gemeinschaftsprojekt der beiden Unis und Unternehmen fokussiert dabei auf die besonderen Membran-Eigen­schaften dieser denkbar dünnsten Kohlenstofflage. Graphen ist ein hervorragender Filter zur Entsalzung von Wasser, aber auch für andere Flüssig­keiten oder Gase und sogar für Biomoleküle. „Die Kunst besteht darin, durch die Gestaltung der Poren­größen, der Material­struktur und -oberfläche die Membran­eigen­schaften auf unterschied­lichste Anwendungen passgenau zuzuschneiden“, erklärt Tuchanin den Forschungsauftrag der Bielefelder. „Als Unternehmen, das spezialisiert ist auf die Entwicklung und Herstellung von kohlenstoffbasierten Nano-Membranen, kümmern wir uns dann um die Übertragung der grund­legenden Forschungs­ergebnisse auf die indus­trielle Fertigung. Unser Ziel ist die groß­flächige Herstellung von Nano-Membranen im indus­triellen Maßstab“, so Albert Schnieders von CNM Technologies. Oberflächen-gebundene, einschichtige organische Moleküllagen dienen dabei als Ausgangs­material. Durch Pyrolyse entstehen daraus Graphen-Nanomembranen. „Wir bei BASF werden die Graphen-Nano-Membranen dann in viel­fältigsten Funktions­tests auf ihre praktische Eignung für diverse Anwendungen hin untersuchen“, ergänzt BASF-Graphenforscherin Kitty Cha.

„Unser Job in Ulm wird es hingegen sein, das entwickelte Material mit speziellen Geräten elektronen­mikroskopisch zu charakterisieren, also Porengröße, Struktur auf atomarer Skala abzubilden und zu quanti­fizieren“, erklärt Kaiser. Zum Einsatz kommt dabei ein spezielles Nieder­spannungs-Elektronen­mikroskop, das Aufnahmen solcher Materialen in atomarer Auflösung erlaubt.

U. Ulm / OD