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Wenn mechanische Kraft auf Molekülstruktur trifft: Wie revolutioniert die Peeling-Technologie die Materialwissenschaft?
Bei der Exfoliationstechnologie handelt es sich um ein Verfahren, dessen Ziel darin besteht, geschichtete Materialien durch mechanische, chemische oder thermische Behandlungen zu trennen und sie so in Nanomaterialien umzuwandeln. Die Geschichte dieser Technologie reicht Jahrhunderte zurück, aber der Forschungsboom begann erst 2004 so richtig, nachdem Novoselov und Geim Graphen erfolgreich mithilfe von Scott-Tape getrennt hatten. Ihre Entdeckung der mechanischen Exfoliation führte zu einem steigenden Interesse an der Formgebung von Nanomaterialien und bis heute ist die Exfoliation eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Herstellung von Nanomaterialien. Diese Technologie findet in vielen Bereichen Anwendung, von der Elektronik bis zur Biomedizin, und verändert die Art und Weise, wie wir Materialien nutzen.
Durch Peeling-Techniken können die Eigenschaften verschiedener Materialien für spezielle Anwendungen maßgeschneidert angepasst werden, beispielsweise für leistungsstarke elektronische Geräte und ultraleichte Materialien für die Luft- und Raumfahrt.
Geschichte
Obwohl die Anwendung von Peelingtechniken auf die Töpferwarenproduktion im alten China und der Maya zurückgeht, datiert das erste wissenschaftliche Peelingexperiment auf das Jahr 1824 zurück, als Thomas H. Webb expandierten Stein herstellte. Mit der Zeit vertiefte sich das Verständnis des Reaktionsmechanismus der Exfoliation schrittweise und Brodies Forschungen im Jahr 1855 ergaben, dass bestimmte Säuren geschichtete Kohlenstoffstrukturen erzeugen können. Diese frühen Entdeckungen legten den Grundstein für spätere Peelingtechniken.
Die heutige Exfoliationsforschung beschränkt sich nicht mehr nur auf Graphit und Graphen. Viele Forschungsgruppen haben begonnen, andere Elemente zu untersuchen und Exfoliationstechnologie zur Herstellung anderer Nanomaterialien einzusetzen.
Arten des Strippens
Die Entfernungstechniken können in drei Haupttypen unterteilt werden: mechanisches Entfernen, chemisches Entfernen und thermisches Entfernen. Diese drei Technologien haben ihre eigenen Eigenschaften und zielen darauf ab, die schwachen Bindungen zwischen Materialschichten aufzubrechen, um einschichtige Nanomaterialien zu erhalten.
Mechanisches Abisolieren
Beim mechanischen Peeling werden externe Kräfte genutzt, um schwache Bindungen innerhalb eines Materials aufzubrechen. Dieser Prozess weist eine geringe Zuverlässigkeit auf und erfordert häufig wiederholte Experimente, um die erforderlichen Materialien zu erhalten, und die entsprechenden Eigenschaften müssen basierend auf den Ergebnissen feinabgestimmt werden. Zu den wichtigsten mechanischen Peelingtechniken zählen das mikromechanische Peeling und die Flüssigphasentrennung.
Mikromechanisches Peeling
Die mikromechanische Exfolierung ist derzeit die ursprüngliche Methode zur Graphenherstellung. Obwohl damit eine einzelne Schicht hochreinen Materials gewonnen werden kann, ist der eigentliche Vorgang umständlich und muss wiederholt werden.
Flüssigphasentrennung
Die Flüssigphasentrennung ist eine effiziente Ablösemethode, bei der flüssige Medien eingesetzt werden, um die Bindungsstärke im Material zu verringern und die Anwendung mechanischer Kraft zu erleichtern. Obwohl diese Methode eine hohe Ausbeute und Reinheit aufweist, wird sie dennoch durch eine ungleichmäßige Oberflächenspannung beeinträchtigt.
Chemisches Peeling
Durch chemisches Peeling wird die Zwischenschichtstruktur des Materials aktiv zerstört, indem Gastionen oder freie Elektronen eingeführt werden. Dies ist eine der skalierbarsten Stripping-Methoden und wird oft in Verbindung mit anderen Stripping-Techniken verwendet. Zu den üblichen chemischen Entfernungsverfahren zählen die chemische Gasphasenabscheidung und die Oxidreduktion.
Thermisches Abisolieren
Beim thermischen Exfolieren werden hohe Temperaturen genutzt, um das Exfolieren von Materialien zu erleichtern. Dies führt zu höheren Erträgen und relativ kurzen Reaktionszeiten. Der Nachteil dieser Methode besteht jedoch darin, dass keine Kontrolle über die Partikelgröße möglich ist, was die Reinheit des Produkts beeinträchtigen kann.
Zukunftsaussichten
Mit dem Fortschritt der Technologie erweitert die Peeling-Technologie schrittweise ihren Anwendungsbereich, von traditionellen Spitzenmaterialien hin zu Materialinnovationen, die schrittweise in das tägliche Leben integriert werden. Die Stripping-Technologie verbessert nicht nur die Leistung von Nanomaterialien, sondern hat auch tiefgreifende Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung von Wissenschaft und Technologie. Es ist abzusehen, dass sich die Abisoliermaterialtechnologie mit der steigenden industriellen Nachfrage weiterentwickeln und in zahlreichen Bereichen durch praktische Untersuchungen weiter vertieft werden wird.
Angesichts eines so rasanten technologischen Fortschritts stellt sich die Frage, wie die zukünftige Abisoliertechnologie die Innovation in der Materialwissenschaft vorantreiben wird?
