Wie Graphen das Nanoreich erobert
Graphen, eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzigen Atomschicht, angeordnet in Form eines zweidimensionalen Wabengitters, besteht, gilt als ein Schlüsselelement für viele industrielle Anwendungen wie zum Beispiel Halbleiter, Elektronik, elektrische Batterien und Verbundwerkstoffe. Nun wurde dank der Arbeit des EU-finanzierten Projekts GRANN sein Einsatz auf den Nanobereich ausgeweitet. „Diesem vom Europäischen Forschungsrat unterstützten Projekt ist es gelungen, die bemerkenswerten Eigenschaften von Graphen auszunutzen“, sagt Liv Hornekaer, Physikerin an der Universität Aarhus und Projektkoordinatorin von GRANN. „Erreichen konnten wir das, indem wir über weiterentwickelte Syntheserouten und chemische Funktionalisierung neue Familien nanostrukturierten Graphens entworfen und synthetisiert haben.“
Viele wichtige Ergebnisse
Das Projekt GRANN vereinte ein Team aus Fachleuten für Graphensynthese, Graphenbeschichtungen sowie Steuerung elektronischer Eigenschaften von Graphen bei makroskopischen Proben. Gemeinsam erzielten sie mehrere wichtige Ergebnisse, darunter die Entwicklung neuer Methoden zur Synthese von Nanopunktstrukturen aus Graphen. Die Forschungsgruppe erkundete außerdem die chemische Reaktivität von Nanographen und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen unter interstellaren Bedingungen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war die Entwicklung eines innovativen Ansatzes zur Erzeugung einer künstlichen abstimmbaren Bandlücke bei Graphen, indem nanoskalige Strukturen mit Wasserstofffunktionalisierung und abstimmbarer Symmetrie gebildet werden. „Wir haben die Existenz neuartiger chemischer Reaktionswege und Funktionalisierungsmotive für Graphen auf Substraten aus Metall nachgewiesen“, erklärt Hornekaer. „Insbesondere haben wir nachgewiesen, dass Graphen die katalytische Aktivierung der darunter liegenden Metalloberfläche vermittelt, was die chemische Funktionalisierung mit angeregtem molekularem Wasserstoff sowie die Stabilisierung eines neuen Bindungsmotivs für atomaren Sauerstoff auf Graphen nach sich zieht.“ Außerdem demonstrierte das Forschungsteam, wie Graphen als Schutzschicht auf Metalllegierungen von Industriequalität dienen kann und wie Nanostrukturen mit Wasserstofffunktionalisierung die schützenden Eigenschaften derartiger Schichten verbessern können. „Das Projekt verdeutlichte das Potenzial von Graphenbeschichtungen und durch Funktionalisierung verbesserten Graphenbeschichtungen als Korrosionsschutzschichten auf den Oberflächen industrieller Anwendungen“, ergänzt Hornekaer.
Wie sich neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen
Unter den vielen Errungenschaften des Projekts ist Hornekaer am stolzesten auf die Entwicklung eines Verfahrens zur Ausnutzung der Symmetrie in Funktionalisierungsmustern, mit dem sich eine künstliche Bandlücke in Graphen einschneiden lässt. „Dank der von uns gesteuerten Wasserstofffunktionalisierung bei Graphen konnten wir nanostrukturiertes Graphen mit variierender Symmetrie produzieren“, erläutert sie. Es sind Ergebnisse wie dieses, dank derer sich neue Forschungsmöglichkeiten eröffnet haben. Die im Rahmen des Projekts GRANN begonnene Forschung wird unter Hornekaers Leitung am neu gegründeten Center for Interstellar Catalysis an der dänischen Universität Aarhus und an der Universität Leiden in den Niederlanden fortgesetzt. Hornekaers Arbeit wird die katalytische Aktivität von Nanographen sowie kohlenstoffhaltigen Nanopartikeln bei der Bildung komplexer organischer Moleküle unter interstellaren Bedingungen zum Mittelpunkt haben. „Unser Ziel besteht darin herauszufinden, ob die molekularen Bausteine des Lebens im interstellaren Raum, jenen Regionen, in denen sich neue Sterne und Planeten bilden, katalysiert werden können“, sagt Hornekaer abschließend. „Und diese Arbeit wird sehr stark auf den von uns im Rahmen des GRANN-Projekts entwickelten Ergebnissen und Verfahren aufbauen.“
Schlüsselbegriffe
GRANN, Graphen, Nano, Beschichtungen, Nanopartikel, nanostrukturiert, Legierungen
