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Graphen und seine Eigenschaften

Graphen-Schaum ist so viel stabiler als Stahl

Graphen ist wirklich ein Wundermaterial: Jetzt ist es gelungen, einen Schaum aus Graphen herzustellen mit ganz erstaunlichen Eigenschaften. Der Schaum ist zwar federleicht, aber um ein Vielfaches stabiler als Stahl. Wie das kommt?

Gyroid-Modell aus dem 3D-Drucker

Gyroid-Modelle aus dem 3D-Drucker wie dieses wurden benutzt, um die Stärke und mechanischen Eigenschaften eines neues leichten Materials zu testen.

Foto: Melanie Gonick/MIT

Graphen ist ein zweidimensionales Nanomaterial. Nur eine Atomlage dick besitzt die Kohlenstoffvariante lediglich in Breite und Länge eine Ausdehnung. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben jetzt ein schwammartiges Material aus Graphen konstruiert, das nur rund fünf Prozent der Dichte von Stahl besitzt, aber zehnmal so stark ist. Es wurde mit einem hochauflösenden 3D-Drucker hergestellt.

Lücken in der Erforschung

Zwar gilt Graphen ja ohnehin unter anderem wegen seiner Härte als Wundermaterial, doch ist es bisher nur teilweise gelungen, diese Stabilität auf nutzbare dreidimensionale Graphen-Materialien zu übertragen.

Die Illustration zeigt die Ergebnisse der Simulationstests zur Zug- und Druckfestigkeit der 3D-Graphen-Struktur.

Foto: Zhao Qin

 

Einer der Gründe dafür: Bisher war nicht bekannt, welche Eigenschaften ein dreidimensionaler Graphen-Schaum braucht, um leicht und doch stabil zu sein. Das wollten Prof. Zhao Qin und seine MIT-Kollegen herausfinden und untersuchten dafür die Struktur von Schäumen und Gittern aus Graphen.

Graphen-Würfel mit Löchern

Dafür konstruierte das MIT-Team zunächst mithilfe sehr genauer Computermodelle einen Graphen-Würfel. Die Forscher schweißten 500 Blättchen des zweidimensionalen Graphen-Gitters mit 500 kugelförmigen Platzhaltern unter Hitze und hohem Druck zu dreidimensionalen, porösen Strukturen zusammen. Dabei lösten sich die Platzhalter auf, so dass an ihrer Stelle Hohlräume zurückblieben.

Dünnere Wände stabiler als dickere

Durch die Löcher ergibt sich ein Plus an Oberflächenstruktur, was dem Konstrukt Festigkeit verleiht, andererseits sorgen die Hohlräume für ein niedriges Gewicht. Tests ergaben, dass dieser Graphen-Schaum zehnmal stabiler und zugfester ist als Stahl, obwohl er nur fünf  Prozent von dessen Dichte besitzt.

Es zeigte sich bei den Tests aber auch, dass es die Würfel mit dünneren Wänden waren, die sich deutlich stabiler zeigten, als diejenigen mit dickeren Wänden. Letztere explodierten förmlich, als die Gewichte auf sie drückten. Die dünnere Variante hingegen behielt ihre Form und fiel kontrolliert zusammen.

Großes Potenzial

Die MIT-Forscher erklären das Versuchsergebnis damit, dass die dickeren Wände die durch den Druck ausgeübte Kraft als Spannungsenergie speichern und dann auf einmal freigeben, während die dünneren Wände kontinuierlich verformt werden. Ihre Erkenntnis: Graphen spielt zwar als Material für die Härte eine Rolle, aber entscheidender ist die geometrische Form.

„Man kann das Graphen durch irgendein anderes Material ersetzen. Die Geometrie ist der dominante Faktor. Sie hat das Potenzial, viele Dinge zu verändern“, sagt Markus Buehler, Chef der Abteilung Civil and Environmental Engineering am MIT.

So könnte die vom MIT entwickelte Struktur auch für Kunststoffe und Metalle genutzt werden, um ultraleichte, widerstandsfähige Materialien zu kreieren, etwa für den Bau von Brücken. Superleichte und ultrastabile Materialien wären auch optimal einsetzbar im Flugzeug- und Automobilbau gewünscht. Und nicht nur da.

Kleinste Glühlampe der Welt

Sie möchten mehr über Graphen erfahren? Hier stellen wir Ihnen eine industriefähige Lösung zur Produktion von Graphen vor, die von Forschern aus Aachen und Jülich entwickelt wurde.

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Kleinste Glühlampe der Welt: Sie besteht aus einem Graphenfilament zwischen zwei Elektroden. Das Material hält Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius aus.

Foto: Young Duck Kim/Columbia Engineering

Und an dieser Stelle berichten wir über die kleinste Glühlampe der Welt, die aus einem Graphenfilament zwischen zwei Elektroden besteht. Das Material hält Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius aus.

Von Martina Kefer
Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Forschung/Graphen-Schaum-so-stabiler-Stahl
vom 20.01.2017

Werkstoff: Graphen

Super lässt sich steigern

Das Wundermaterial Graphen lässt sich jetzt wie Eisen magnetisieren. Wasserstoffatome machen das möglich. Ist damit auch ein neuer digitaler Speicher geboren?

13.05.2016, von Manfred Lindinger

© S. M. Hollen & J. A. Gupta, Science, AAS Auf dem hexagonalen Graphengitter sitzen Wasserstoffatome, die mit ihren Spins Ferromagnetismus (blaue Pfeile) oder Antiferromagnetismus (braune Pfeile) hervorrufen.

Einlagige Graphitschichten, sogenanntes Graphen, zeichnen sich durch exzellente mechanische, elektrische und optische Eigenschaften aus. Der häufig als Wundermaterial titulierte Stoff lässt sich mittlerweile sogar in einen Supraleiter verwandeln. Einzig der Magnetismus hat bislang im Repertoire der Materialeigenschaften gefehlt. Nun ist es einer spanisch-französischen Forschergruppe gelungen, diese Lücke mit Wasserstoffatomen zu schließen.

Manfred Lindinger Folgen:

Bei Graphen handelt es sich um eine zweidimensionale Substanz. Die Kohlenstoffatome sind ähnlich wie beim Graphit in einer Wabenstruktur miteinander verknüpft. Sie bilden auf diese Weise ein ausgedehntes, nur eine Atomlage dünnes hexagonales Gitter. Damit Graphen magnetisch wird, müssen einzelne Elektronenspins (Eigendrehimpulse) vorkommen. Die Valenzelektronen in den Atomorbitalen der gekoppelten Kohlenstoffatome treten jedoch immer nur paarweise auf, wodurch kein resultierendes magnetisches Moment entsteht. Graphen ist deshalb im Normalzustand unmagnetisch. Es wird nur in einem extrem starken Magnetfeld diamagnetisch.

Magnetismus in Graphen hervorrufen

Seit einigen Jahren gibt es Versuche, Magnetismus in Graphen hervorzurufen. Dazu bombardiert man die zweidimensionale Kohlenstoffmodifikation mit Atomen, die einzelne Atome aus dem Graphenverbund herausschlagen. Zwar lassen sich mit diesem recht brachialen Verfahren ungepaarte Elektronenspins mit magnetischen Momenten erzeugen. Ferromagnetismus, wie man ihn von magnetisiertem Eisen her kennt, ließ sich auf diese Weise allerdings bislang nicht bewirken.

Magnetisches Graphen © CIC Nanogune Madrid Vergrößern Ein Wasserstoffatom leuchtet auf einer Graphenoberfläche.

Einen eher sanften Ansatz verfolgt Iván Brihuega von der Universidad Autónoma de Madrid mit seinen Kollegen. Die Forscher machen sich den Umstand zu nutze, dass ein Wasserstoffatom, das mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist, sein schwaches magnetisches Moment an seinen Bindungspartner überträgt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die magnetische Wirkung des Wasserstoffs für atomare Maßstabe recht weit streut. Das führt dazu, dass die Kohlenstoffatome in Graphen das magnetische Moment eines gebundenen Wasserstoffatoms in ihrer Nähe spüren.

Brächte man nun weitere Wasserstoffatome auf eine Graphenoberfläche, so die Idee von Brihuega und seinen Mitarbeitern, ließe sich das zuvor unmagnetische Material in einen Magneten verwandeln. Dabei kommt es allerdings auf den Abstand der gebundenen Wasserstoffatome untereinander an. Ist er zu groß, ist die Gefahr groß, dass sie auf verschiedenen Untergittern der hexagonalen Wabenstruktur des Graphens sitzen. Dann können sie sich nicht entsprechend verstärken, und es tritt kein Magnetismus auf.

Eigendrehimplus entwickelt magnetisches Moment

Es kommt deshalb darauf an, die Wasserstoffatome möglichst exakt zu plazieren, wozu man üblicherweise ein Rastertunnelmikroskop verwendet. Das Instrument lässt sich wie eine Pinzette für Atome nutzen. In ihrem Experiment haben Brihuega und seine Kollegen eine Graphenprobe zunächst bis auf minus 268 Grad gekühlt und dann behutsam mit Wasserstoff bedampft. Die tiefe Temperatur bewirkte, dass die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome keine störenden Wärmebewegungen ausführten. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops schoben die Forscher die Wasserstoffatome an die gewünschte Stelle im Graphen. Mit ihrer Sonde konnten sie jeden Arbeitsschritt verfolgen und untersuchen, wie sich dabei die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Probe veränderten.

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Dort, wo sich ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoffatom verbunden hatte, entstand ein ungepaartes Elektron, dessen Eigendrehimplus ein magnetisches Moment entwickelte. Plazierte man ein weiteres Wasserstoffatom in seiner Nachbarschaft, begannen die beiden Elektronenspins magnetisch miteinander zu interagieren und sich zu verstärken. Mit jedem hinzugefügten Wasserstoffatom wurde der Effekt stärker, und es bildete sich tatsächlich ein ferromagnetischer Bereich im Graphen, wie die Forscher in der Zeitschrift „Science“ berichten. Die magnetischen Momente der Wasserstoffatome zeigten in ein und dieselbe Richtung.

Waren die Wasserstoffatome des leichtesten Elements auf verschiedenen Untergittern verteilt, trat eine antiferromagnetische Ordnung auf. Die magnetischen Momente waren nun nicht mehr exakt parallel zueinander orientiert. Der Magnetismus schwächte sich ab oder verschwand vollständig, wenn sie antiparallel ausgerichtet waren. Durch gezieltes Verschieben der Wasserstoffatome auf dem Graphengitter konnten die Forscher den Magnetismus ein- und ausschalten. Da man Elektronenspins beispielsweise zum Speichern von Informationen nutzt, könnte man Graphen schon bald als digitalen Speicher nutzen.

Quelle: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/magnetisches-graphen-digitaler-speicher-der-zukunft-14212544.html vom 13.05.2016