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Verfahren für ultradünne Kohlenstoff-Membranen erfunden

Veröffentlicht am 22. August 2013, 09:49 Uhr
Physiker der Universität Bielefeld entwickeln neue Produktionsmethode

In der Zukunft sollen sie feinste Stoffe filtern können: Kohlenstoff-Nanomembranen. Diese Trennschichten sind ultradünn und bestehen nur aus einer Schicht Moleküle. Auf lange Sicht kommen sie in Frage, um Gase voneinander zu trennen und damit zum Beispiel Giftstoffe aus der Luft zu filtern. Derzeit beschäftigt sich die Grundlagenforschung noch mit der Herstellung der Nano-Membranen. Einem Forschungsteam um den Bielefelder Physiker Professor Dr. Armin Gölzhäuser ist es nun gelungen, ein neues Verfahren für die Herstellung der Membranen zu entwickeln. Der Vorteil: Mit ihm lässt sich eine Reihe unterschiedlicher Kohlenstoff-Nanomembranen erzeugen, die sehr viel dünner sind als es mit etablierten Verfahren möglich ist. Über diesen Forschungserfolg berichtet die neue Print-Ausgabe des renommierten  Forschungsjournals „ACS Nano“.

Mit dem neuen Verfahren hat das Team um Professor Dr. Armin Gölzhäuser zwölf verschiedene Nano-Membranen hergestellt. Die drei Aufnahmen stammen aus dem Bielefelder Helium-Ionen-Mikroskop und zeigen Nano-Membranen aus verschiedenen Ausgangsstoffen. Foto: Universität Bielefeld
Mit dem neuen Verfahren hat das Team um Professor Dr. Armin Gölzhäuser zwölf verschiedene Nano-Membranen hergestellt. Die drei Aufnahmen stammen aus dem Bielefelder Helium-Ionen-Mikroskop und zeigen Nano-Membranen aus verschiedenen Ausgangsstoffen. Foto: Universität Bielefeld
Vor mehr als zehn Jahren hatten Professor Gölzhäuser und sein damaliges Team die Grundlage für die jetzige Entwicklung geschaffen: Mit Biphenyl-Molekülen haben sie schon damals eine Kohlenstoff-Nanomembran hergestellt. In der neuen Studie wurde das Verfahren so verändert, dass auch andere Ausgangsstoffe als Biphenyl verwendet werden können. Voraussetzung ist, dass diese Moleküle ebenfalls mit mehreren so genannten Phenylringen ausgestattet sind.

Für ihre neue Methode verwenden die Forscherinnen und Forscher die Ausgangsstoffe in Pulverform. Sie geben das Pulver in reinen Alkohol, in dem eine sehr dünne Metallschicht liegt. Das Pulver löst sich zunächst auf. Nach kurzer Zeit ordnen sich die gelösten Moleküle auf der Metallschicht von selbst zu einer molekularen Schicht an, die durch eine nachfolgende Elektronenbestrahlung zur Nano-Membran wird. Anschließend sorgen die Forscher dafür, dass sich die Metallschicht zersetzt, so dass nur noch die Nano-Membran übrig bleibt. „Bisher haben wir kleine Proben hergestellt, die wenige Quadratzentimeter groß sind“, sagt Gölzhäuser. „Mit dem Verfahren lassen sich aber auch Nanomembranen machen, die Quadratmetergröße haben.“

Die neue Methode ist etwas Besonderes, weil die Wissenschaftler damit maßgeschneiderte Nano-Membranen erzeugen können. „Jeder Ausgangsstoff hat verschiedene Eigenschaften – von Dichte über Durchlässigkeit bis zur Elastizität. Durch unser Verfahren werden diese Merkmale auf die Nano-Membran übertragen.“ Auf diese Weise lassen sich Kohlenstoff-Nano-Membranen für zahlreiche unterschiedliche Bedarfe produzieren. „Das war vorher nicht möglich“, sagt Gölzhäuser.

Hinzu kommt: Aus den Nano-Membranen lässt sich problemlos das „Wundermaterial“ Graphen herstellen. Von Graphen erwarten sich Forscher weltweit technisch revolutionierende Eigenschaften, weil es extrem zugfest ist und Strom und Wärme sehr gut leitet. Die Umwandlung von Nano-Kohlenstoff-Membranen zu Graphen ist für die Bielefelder Wissenschaftler simpel: Die Membranen müssen dafür bei etwa 700 Grad Celsius im Vakuum erhitzt werden.

Für das Forschungsprojekt arbeitete das Team von Gölzhäuser mit Physikern der Universität Ulm, der Universität Frankfurt und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung zusammen. Förderer der Studie waren das Bundesministerium für Bildung und Forschung und die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Originalveröffentlichung:
Polina Angelova, Henning Vieker, Nils-Eike Weber, Dan Matei, Oliver Reimer, Isabella Meier, Simon Kurasch, Johannes Biskupek, Dominik Lorbach, Katrin Wunderlich, Long Chen, Andreas Terfort, Markus Klapper, Klaus Müllen, Ute Kaiser, Armin Gölzhäuser und Andrey Turchanin: A Universal Scheme to Convert Aromatic Molecular Monolayers into Functional Carbon Nanomembranes, ACS Nano, http://dx.doi.org/10.1021/nn402652f, online erschienen am
26. Juni 2013

Weitere Informationen im Internet:
www.physik.uni-bielefeld.de/experi/goelz/index.php
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