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Vom cleveren Klebeband bis zu Hightech-Anwendungen: Wie erstaunlich ist die Entstehung von Graphen?
Die Geschichte der Entdeckung dieses revolutionären Materials, Graphen, ist voller faszinierender Geschichten. Im Jahr 2004 trennten zwei Wissenschaftler mithilfe einfachen Klebebands eine einzelne Graphenschicht von Graphit. Für diesen Vorgang erhielten die beiden nicht nur den Nobelpreis, sondern auch weltweite Aufmerksamkeit für die Technologie zum Ablösen geschichteter Materialien. Der Kern dieser Technologie liegt im Delaminationsprozess, also dem Zerlegen von Schichtmaterialien in Nanomaterialien durch mechanische, chemische oder thermische Behandlung. Der Aufstieg von Graphen beweist nicht nur die Wirksamkeit dieses Prozesses, sondern eröffnet auch die Erforschung seiner Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Nanotechnologie, Elektronik und Biomedizin.
Durch den Exfolierungsprozess werden die Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Schichten effektiv aufgebrochen, wodurch ein zweidimensionales Hochleistungsmaterial entsteht – eine Eigenschaft, die Graphen zu einem der wichtigsten Materialien des 21. Jahrhunderts macht.
Die Geschichte der Delamination reicht Jahrhunderte zurück. Schon 1824 begannen Wissenschaftler damit, Tonschichten abzutragen, um damit Porzellan zu füllen. Die wirkliche wissenschaftliche Erforschung begann jedoch erst 1855 mit Brodie, der die Auswirkungen verschiedener Säuren auf die geschichtete Kohlenstoffstruktur untersuchte. Diese frühen Entdeckungen boten späteren Wissenschaftlern die Gelegenheit, theoretische Grundlagen zu schaffen. Erst im Jahr 2004 veränderten Novoselov und Geim unser Verständnis der Peeling-Technologie vollständig, indem sie Graphen mit ihrer innovativen Methode mittels Klebeband isolierten.
Die Delaminationstechnologie wird heute in vielen Bereichen breit eingesetzt, beispielsweise bei der Herstellung von leistungsstarker elektronischer Ausrüstung, leichten Materialien für die Luftfahrt und hocheffizienten Energiespeichergeräten.
Der grundlegende Prozess der Exfolierung besteht im Allgemeinen darin, die Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Schichten aufzubrechen, wodurch das Material in seine einzelnen Schichten getrennt werden kann. Diese Technologie kann in drei Typen unterteilt werden: mechanische Delamination, chemische Delamination und thermische Delamination. Jede Methode bietet unterschiedliche Vorteile und Anwendungsszenarien, sodass Wissenschaftler je nach spezifischen Anforderungen die am besten geeignete Delaminationstechnologie auswählen können.
Mechanisches Abisolieren
Die einfachste Delaminationstechnologie ist die mechanische Delamination. Dabei wird die Bindung zwischen den Schichten durch Einwirkung äußerer Kraft aufgebrochen. Dieser Vorgang kann mit verschiedenen Hilfsmitteln, beispielsweise Klebeband oder Lösungsmitteln, durchgeführt werden. Das von Novoselov und Geim vorgeschlagene mikromechanische Spaltungsverfahren ist noch immer eine der grundlegenden Formen der Graphenherstellung. Mit dieser Methode können zwar hochreine Monoschichtmaterialien hergestellt werden, die Reproduzierbarkeit und Vorhersagbarkeit sind jedoch schlecht, und oft sind mehrere Durchläufe erforderlich, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Chemisches Strippen
Beim chemischen Strippen werden externe Chemikalien zugeführt, um die Bindungen zwischen den Schichten aufzubrechen. Bei diesem Vorgang werden normalerweise einige freie Elektronen oder Ionen eingeführt, um die Beschränkungen zwischen den Schichten zu verringern und neue chemische Bindungen zu bilden. Hierzu gehören Methoden wie chemische Gasphasenabscheidung, Graphitoxidreduktion und elektrochemisches Peeling. Der größte Vorteil der chemischen Strippung liegt in ihrer Skalierbarkeit, weshalb sie in der tatsächlichen Produktion weit verbreitet ist.
Thermisches Abisolieren
Bei der thermischen Delamination werden die Schichten durch die Einwirkung hoher Temperaturen voneinander getrennt, wodurch sie sich ausdehnen. Mit dieser Methode lassen sich im Allgemeinen höhere Erträge und kürzere Reaktionszeiten erzielen, wodurch die Produktionseffizienz erheblich verbessert wird. Höhere Temperaturen können jedoch zu Verunreinigungsproblemen im Material führen, was eine der Herausforderungen darstellt, die die aktuelle thermische Delaminationstechnologie bewältigen muss.
Der Übergang vom Band zur Hochtechnologie ist zweifellos ein Hinweis auf die unendlichen Möglichkeiten der wissenschaftlichen Forschung. Welche überraschenden Entdeckungen wird die Nanotechnologie in der sich ständig weiterentwickelnden Welt der Materialwissenschaften in der Zukunft bringen?
