Was ist Graphen? Folgendes sollten Sie wissen:

Weiterführende Literatur

• Neun erstaunliche Einsatzmöglichkeiten für Graphen, vom Filtern von Wasser bis hin zu intelligenter Farbe
• Was ist der Hyperloop? Hier finden Sie alles, was Sie wissen müssen

Heute hat ein neues Material das Potenzial, die Zukunft zu verändern. Graphen wird als „Supermaterial“ bezeichnet und löst bei Forschern auf der ganzen Welt große Anstrengungen aus, um es besser zu verstehen. Die lange Liste wundersamer Eigenschaften von Graphen lässt es fast magisch erscheinen, könnte aber sehr reale und drastische Auswirkungen auf die Zukunft der Physik und Technik haben.

Was genau ist Graphen?

Die einfachste Art, Graphen zu beschreiben, besteht darin, dass es sich um eine einzelne, dünne Graphitschicht handelt – das weiche, flockige Material, das in Bleistiftminen verwendet wird. Graphit ist ein Allotrop des Elements Kohlenstoff, das heißt, es besitzt die gleichen Atome, diese sind jedoch unterschiedlich angeordnet, was dem Material unterschiedliche Eigenschaften verleiht. Beispielsweise sind sowohl Diamant als auch Graphit Formen von Kohlenstoff, doch sie haben völlig unterschiedliche Natur. Diamanten sind unglaublich stark, während Graphit spröde ist. Die Atome von Graphen sind in einer hexagonalen Anordnung angeordnet.

Interessanterweise erhält Graphen, wenn es aus Graphit isoliert wird, einige wundersame Eigenschaften. Es ist nur ein Atom dick und das erste zweidimensionale Material, das jemals entdeckt wurde. Trotzdem ist Graphen auch eines der stärksten Materialien im bekannten Universum. Mit einer Zugfestigkeit von 130 GPa (Gigapascal) ist es mehr als 100-mal stärker als Stahl.

Obwohl Graphen so dünn ist, reicht seine unglaubliche Festigkeit bereits aus, um es erstaunlich zu machen, aber seine einzigartigen Eigenschaften enden damit noch nicht. Es ist außerdem flexibel, transparent, hochleitfähig und scheinbar undurchlässig für die meisten Gase und Flüssigkeiten. Es scheint fast so, als gäbe es keinen Bereich, in dem Graphen nicht brilliert.

Die Geschichte von Graphen: Eine Rolle Klebeband und ein Traum

Graphit ist seit langem eine bekannte Größe (Menschen nutzen ihn seit der Jungsteinzeit). Seine atomare Struktur ist gut dokumentiert und Wissenschaftler haben lange darüber nachgedacht, ob einzelne Graphitschichten isoliert werden könnten. Bis vor Kurzem war Graphen jedoch nur eine Theorie, da die Wissenschaftler nicht sicher waren, ob es jemals möglich sein würde, Graphit in eine einzige, atomar dünne Schicht zu zerschneiden. Die erste isolierte Graphenprobe wurde 2004 von Andre Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester entdeckt. Man könnte annehmen, dass sie die sagenumwobene Substanz mithilfe einer riesigen, teuren Maschine isolierten, aber das Werkzeug, das sie verwendeten, war amüsant einfach: eine Rolle Klebeband.

Beim Polieren eines großen Graphitblocks mit Klebeband bemerkten die Forscher außergewöhnlich dünne Flocken auf dem Band. Sie schälten Schicht für Schicht die Graphitflocken ab und produzierten schließlich eine möglichst dünne Probe. Sie hatten Graphen gefunden. Die Entdeckung war so bizarr, dass die wissenschaftliche Welt zunächst skeptisch war. Das beliebte Journal Natur haben ihren Aufsatz zu dem Experiment sogar zweimal abgelehnt. Schließlich wurde ihre Forschung veröffentlicht und 2010 wurden Geim und Novoselov für ihre Entdeckung mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Anwendungsmöglichkeiten

Hätte Graphen nur eine seiner vielen herausragenden Eigenschaften, wäre es Gegenstand intensiver Forschung zu möglichen Einsatzmöglichkeiten. Da Graphen in vielerlei Hinsicht so bemerkenswert ist, hat es Wissenschaftler dazu inspiriert, über eine breite Palette von Verwendungsmöglichkeiten für das Material nachzudenken, und zwar in so unterschiedlichen Bereichen wie der Verbrauchertechnologie und der Umweltwissenschaft.

Flexible Elektronik

Zusätzlich zu seinen starken elektrischen Eigenschaften ist Graphen auch äußerst flexibel und transparent. Dies macht es für den Einsatz in tragbaren Elektronikgeräten attraktiv. Smartphones und Tablets könnten durch Graphen wesentlich langlebiger werden und sich vielleicht sogar wie Papier zusammenfalten lassen. Tragbare elektronische Geräte erfreuen sich in letzter Zeit wachsender Beliebtheit. Mit Graphen könnten diese Geräte noch nützlicher gemacht werden, da sie so konzipiert sind, dass sie eng an Gliedmaßen anliegen und sich beugen lassen, um verschiedene Formen von Übungen zu ermöglichen.

Die Flexibilität und mikroskopische Breite von Graphen bieten jedoch Möglichkeiten, die über bloße Verbrauchergeräte hinausgehen. Es könnte auch in der biomedizinischen Forschung nützlich sein. Mit Graphen könnten kleine Maschinen und Sensoren hergestellt werden, die sich leicht und ungefährlich durch den menschlichen Körper bewegen, Gewebe analysieren oder sogar Medikamente an bestimmte Bereiche abgeben können. Kohlenstoff ist bereits ein wichtiger Bestandteil im menschlichen Körper; Ein wenig Graphen könnte nicht schaden.

Solarzellen/Photovoltaik

Graphen ist sowohl hochleitfähig als auch transparent. Daher hat es großes Potenzial als Material in Solarzellen. Typischerweise verwenden Solarzellen Silizium, das eine Ladung erzeugt, wenn ein Photon auf das Material trifft und ein freies Elektron freisetzt. Silizium gibt pro auftreffendem Photon nur ein Elektron ab. Untersuchungen haben ergeben, dass Graphen für jedes auftreffende Photon mehrere Elektronen freisetzen kann. Daher könnte Graphen bei der Umwandlung von Sonnenenergie weitaus besser sein. In Kürze könnten billigere und leistungsstärkere Graphenzellen einen massiven Anstieg der erneuerbaren Energien bewirken.

Die photovoltaischen Eigenschaften von Graphen bedeuten auch, dass es zur Entwicklung besserer Bildsensoren für Geräte wie Kameras genutzt werden könnte.

Halbleiter

Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit könnte Graphen in Halbleitern eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit der Informationsübertragung erheblich zu erhöhen. Kürzlich führte das Energieministerium Tests durch, die zeigten, dass halbleitende Polymere Elektrizität viel schneller leiten, wenn sie auf einer Graphenschicht platziert werden als auf einer Siliziumschicht. Dies gilt auch dann, wenn das Polymer dicker ist. Ein 50 Nanometer dickes Polymer leitete eine Ladung besser als eine 10 Nanometer dicke Schicht des Polymers, wenn es auf eine Graphenschicht gelegt wurde. Dies widersprach der früheren Meinung, dass ein Polymer umso besser Ladung leiten kann, je dünner es ist.

Das größte Hindernis für die Verwendung von Graphen in der Elektronik ist das Fehlen einer Bandlücke, der Lücke zwischen Valenz- und Leitungsbändern in einem Material, die, wenn sie gekreuzt wird, einen elektrischen Stromfluss ermöglicht. Die Bandlücke ermöglicht es halbleitenden Materialien wie Silizium, als Transistoren zu fungieren; Sie können zwischen Isolieren und Leiten eines elektrischen Stroms wechseln, je nachdem, ob ihre Elektronen über die Bandlücke geschoben werden oder nicht.

Forscher haben verschiedene Methoden getestet, um Graphen eine Bandlücke zu verleihen; Im Erfolgsfall könnte dies zu viel schnellerer Elektronik mit Graphen führen.

Wasserfiltration

Die engen Atombindungen von Graphen machen es für nahezu alle Gase und Flüssigkeiten undurchlässig. Kurioserweise bilden Wassermoleküle eine Ausnahme. Da Wasser durch Graphen verdunsten kann, während dies bei den meisten anderen Gasen und Flüssigkeiten nicht möglich ist, könnte Graphen ein außergewöhnliches Filterwerkzeug sein. Forscher der Universität Manchester testeten die Durchlässigkeit von Graphen mit Alkohol und konnten dies auch tun Destillieren Sie sehr starke Spirituosenproben, da nur das Wasser in den Proben durch den Destillierkolben gelangen konnte Graphen.

Natürlich hat die Verwendung von Graphen als Filter Potenzial, das über die Destillation stärkerer Spirituosen hinausgeht. Graphen könnte auch bei der Reinigung von Wasser von Giftstoffen enorm hilfreich sein. In einer von der Royal Society of Chemistry veröffentlichten Studie zeigten Forscher, dass oxidiertes Graphen sogar dazu in der Lage ist Ziehen Sie im Wasser vorhandene radioaktive Stoffe wie Uran und Plutonium an und lassen Sie die Flüssigkeit frei Verunreinigungen. Die Implikationen dieser Studie sind enorm. Einige der größten Umweltgefahren der Geschichte, darunter Atommüll und chemischer Abfluss, könnten dank Graphen aus Wasserquellen gereinigt werden.

Da die Überbevölkerung nach wie vor eines der drängendsten Umweltprobleme der Welt darstellt, wird die Aufrechterhaltung einer sauberen Wasserversorgung immer wichtiger. Tatsächlich sind weltweit mehr als eine Milliarde Menschen von Wasserknappheit betroffen, eine Zahl, die angesichts der aktuellen Trends nur noch weiter steigen wird. Graphenfilter haben ein enormes Potenzial, die Wasserreinigung zu verbessern und die Menge an verfügbarem Süßwasser zu erhöhen. Tatsächlich hat Lockheed Martin kürzlich einen Graphenfilter namens „Perforene“ entwickelt, der nach Angaben des Unternehmens den Entsalzungsprozess revolutionieren könnte.

Aktuelle Entsalzungsanlagen nutzen eine Methode namens Umkehrosmose, um Salz aus dem Meerwasser zu filtern. Bei der Umkehrosmose wird Wasser durch Druck durch eine Membran bewegt. Um große Mengen trinkbares Wasser zu produzieren, sind enorme Mengen an Energie erforderlich, um Druck auszuüben. A Behauptungen des Lockheed-Martin-Ingenieurs Ihre Perforene-Filter könnten den Energiebedarf hundertmal weniger senken als andere Filter.

MIT stellte Graphen mit „Nanoporen“ her

Die Filtration ist eine der offensichtlichsten Anwendungen von Graphen, und MIT-Ingenieure haben große Fortschritte bei der Perfektionierung der Fähigkeit von Graphen gemacht, Moleküle zu trennen. Im Jahr 2018hat ein Team am MIT eine Methode entwickelt, um winzige, „nadelstichartige“ Löcher in Graphenschichten zu erzeugen. Die Forscher des MIT verwenden zur Herstellung von Graphen einen „Rolle-zu-Rolle“-Ansatz. Ihr Aufbau umfasst zwei Spulen: Eine Spule führt ein Kupferblech in einen Ofen, wo es auf die Temperatur erhitzt wird Bei entsprechender Temperatur fügen die Ingenieure dann Methan und Wasserstoffgas hinzu, was im Wesentlichen zu Graphenansammlungen führt Formen. Der Graphenfilm verlässt den Ofen und wickelt sich auf die zweite Spule.

Theoretisch ermöglicht dieser Prozess die Bildung großer Graphenschichten in relativ kurzer Zeit, was für kommerzielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Die Forscher mussten den Prozess verfeinern, um die perfekte Form des Graphens zu erreichen, und interessanterweise erwiesen sich die unvollkommenen Versuche auf dem Weg später als nützlich. Als das MIT-Team versuchte, Poren in Graphen zu erzeugen, verwendeten sie zunächst Sauerstoffplasma, um sie herauszuschneiden. Da sich dieser Prozess als zeitaufwändig erwies, wollten sie etwas schnelleres und suchten nach Lösungen in früheren Experimenten. Indem die Temperatur während des Graphenwachstums gesenkt wurde, entstanden Poren. Was während des Entwicklungsprozesses als Mängel auftrat, erwies sich letztendlich als nützliche Möglichkeit, poröses Graphen herzustellen.

Supraleitung

Nicht lange danach Wissenschaftler in Cambridge demonstrierten dass Graphen in Kombination mit Praseodym-Cer-Kupferoxid als Supraleiter (ein Material ohne elektrischen Widerstand) wirken kann, so Forscher am MIT entdeckt eine weitere erstaunliche Eigenschaft: Es kann offenbar in der richtigen Konfiguration allein als Supraleiter funktionieren. Die Forscher stapelten zwei Graphenscheiben, versetzten sie jedoch um einen Winkel von 1,1 Grad. Laut einem in Nature veröffentlichten Bericht „hat der Physiker Pablo Jarillo-Herrero vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und sein Team waren bei der Einrichtung ihres Projekts nicht auf Supraleitung bedacht Experiment. Stattdessen untersuchten sie, wie sich die Ausrichtung, die als magischer Winkel bezeichnet wird, auf Graphen auswirken könnte.“

Sie entdeckten, dass, wenn sie Strom durch den unregelmäßigen Graphenstapel leiteten, dieser als Supraleiter fungierte. Dieser einfache Prozess der Anwendung von Elektrizität macht Graphen einfacher zu untersuchen als eine ähnliche Klasse von Graphen Supraleiter, Kuprate, obwohl diese Materialien eine viel höhere Supraleitung aufweisen Temperaturen. Die meisten Materialien, die Supraleitung zeigen, erreichen dies nur nahe der Temperatur des absoluten Nullpunkts. Einige sogenannte „Hochtemperatur-Supraleiter“ können bei Temperaturen um 133 Kelvin (-140 Grad Celsius) supraleitend sein, was relativ hoch ist; Schwefelwasserstoff zeigt unter ausreichendem Druck die Eigenschaft an wundersame -70 Grad Celsius!

Die Graphenanordnung musste auf 1,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, die Forscher gehen jedoch davon aus, dass ihr Verhalten dem von Kupraten ähnelt, und Sie hoffen daher, dass es ein viel einfacheres Material für die Untersuchung unkonventioneller Supraleitung sein wird, über die noch immer große Meinungsverschiedenheiten bestehen Physiker. Da Supraleitung normalerweise nur bei solch niedrigen Temperaturen auftritt, werden Supraleiter jedoch nur in kostspieligen Geräten wie MRT-Geräten verwendet Wissenschaftler hoffen, eines Tages einen Supraleiter zu finden, der bei Raumtemperatur funktioniert, was die Kosten senken würde, da keine Kühlung erforderlich ist Einheiten.

In eine 2019 veröffentlichte StudieForscher zeigten, wie das Verdrehen von Graphenschichten in bestimmten „magischen“ Winkeln supraleitende Eigenschaften bei niedrigeren Temperaturen als zuvor erzeugen kann.

Mückenabwehr

Nur wenige Lebewesen sind so abscheulich wie die Mücke, da sie bei Stichen juckt und dazu neigt, schreckliche Krankheiten wie Malaria zu verbreiten. Glücklicherweise haben Forscher der Brown University mithilfe von Graphen eine mögliche Lösung gefunden. Die Forschung, veröffentlicht im Jahr 2019zeigt, dass ein Graphenfilm auf der Haut Mücken nicht nur am Stechen hindert, sondern sie sogar davon abhält, überhaupt auf der Haut zu landen. Eine mögliche Erklärung ist, dass das Graphen die Mücken daran hinderte, Beute zu riechen.

Die Zukunft der Graphenforschung

Angesichts der scheinbar endlosen Liste an Stärken von Graphen würde man erwarten, es überall zu finden. Warum wurde Graphen dann nicht weit verbreitet? Wie bei den meisten Dingen kommt es auf das Geld an. Die Herstellung von Graphen in großen Mengen ist immer noch extrem teuer, was seinen Einsatz in jedem Produkt, das eine Massenproduktion erfordert, begrenzt. Darüber hinaus besteht bei der Herstellung großer Graphenschichten ein erhöhtes Risiko, dass winzige Risse und andere Fehler im Material auftreten. Egal wie unglaublich eine wissenschaftliche Entdeckung auch sein mag, die Ökonomie wird immer über den Erfolg entscheiden.

Abgesehen von Produktionsproblemen verlangsamt sich die Graphenforschung keineswegs. Forschungslabore auf der ganzen Welt – darunter auch die Universität Manchester, wo Graphen erstmals entdeckt wurde – melden kontinuierlich Patente für neue Methoden zur Herstellung und Verwendung von Graphen an. Die Europäische Union genehmigte 2013 die Finanzierung eines Flaggschiffprogramms, das die Graphenforschung für den Einsatz in der Elektronik finanzieren wird. Mittlerweile forschen große Technologieunternehmen in Asien an Graphen, darunter auch Samsung.

Revolutionen passieren nicht über Nacht. Silizium wurde Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt, aber es dauerte fast ein Jahrhundert, bis Siliziumhalbleiter den Weg für den Aufstieg der Computer ebneten. Könnte Graphen mit seinen fast mythischen Eigenschaften die Ressource sein, die die nächste Ära der Menschheitsgeschichte vorantreibt? Nur die Zeit kann es verraten.

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