Dünnstmögliche Membran hergestellt
Eine neue Nano-Membran aus dem «Wundermaterial» Graphen ist extrem leicht und atmungsaktiv. Nicht nur eine neue Generation von funktioneller Regenbekleidung, sondern auch ultraschnelles Filtrieren könnte damit möglich werden. Die Membran der ETH-Forschenden ist so dünn, wie es technisch nur geht.
Forschende haben eine stabile por?se Membran hergestellt, die d¨¹nner ist als ein Nanometer. Das ist hunderttausendmal weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die Membran besteht aus zwei Schichten des oft als Wundermaterial gepriesenen Graphen, einem zweidimensionalen Film aus Kohlenstoffatomen, in das die Wissenschaftler unter der Leitung von Hyung Gyu Park, Professor am Departement f¨¹r Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Z¨¹rich, winzige Poren von genau definierter Gr?sse ?tzten.
So ist die Membran durchl?ssig f¨¹r kleinste Molek¨¹le. Gr?ssere Molek¨¹le und Partikel hingegen k?nnen sie entweder nur langsam oder gar nicht passieren. ?Mit der Dicke von nur zwei Kohlenstoffatomen ist dies die d¨¹nnste technisch machbare por?se Membran ¨¹berhaupt?, sagt ETH-Doktorand Jakob Buchheim, einer der Erstautoren der Studie, welche die ETH-Forscher zusammen mit Wissenschaftlern der Empa und einem Forschungslabor von LG Electronics durchf¨¹hrten und in der Fachzeitschrift ?Science? ver?ffentlichten.
Dereinst k?nnte die ultrad¨¹nne Graphenmembran eine ganze Reihe von Anwendungen finden, etwa in funktioneller Regenbekleidung. ?Unsere Membran ist nicht nur sehr leicht und flexibel, sondern vor allem tausendmal atmungsaktiver als Goretex?, sagt Kemal Celebi, Postdoc in Parks Gruppe und ebenfalls Erstautor der Studie. Denkbar w?re auch eine Anwendung um Gasgemische in ihre Bestandteile aufzutrennen oder um Verunreinigungen aus Fl¨¹ssigkeiten zu filtrieren. Denn in der Studie haben die Wissenschaftler erstmals zeigen k?nnen, dass sich Graphenmembranen ¨¹berhaupt eignen, um Wasser zu filtrieren. Schliesslich k?nnen sich die Wissenschaftler den Einsatz der Membran in Ger?ten zur pr?zisen Messung und Charakterisierung Str?mungsph?nomenen von Gasen und Fl¨¹ssigkeiten auf der Nanoebene vorstellen.
Durchbruch in der Nanofabrikation
Den Forschenden gelang es nicht nur, ihr Ausgangmaterial, eine zweischichtige Graphen-Folie, mit einer aussergew?hnlich hohen Reinheit herzustellen, sondern sie konnten auch die Poren mit hoher Genauigkeit in den Graphen-Film ?tzen. Dazu verwendeten sie die sogenannte Ionenfeinstrahltechnik (FIB), die auch bei der Herstellung von Halbleitern zum Einsatz kommt. Dabei wird ein Strahl von Helium- oder Galliumionen hochpr?zise gesteuert, um Material wegzu?tzen. So konnten die Wissenschaftler Poren in unerreichter Pr?zision und der gew¨¹nschten Anzahl und Gr?sse in das Graphen ?tzen. Dieser Arbeitsschritt dauerte nur wenige Stunden, fr¨¹her brauchte es dazu mehrere Tage. ?Die Herstellung der Membran war nur dank dieses Durchbruchs in der Nanofabrikation m?glich?, sagt Ivan Shorubalko, Wissenschaftler an der Empa, der an der Arbeit beteiligt war.
Um die Pr?zision zu erreichen, mussten die Wissenschaftler mit zweischichtigem Graphen arbeiten. ?Eine solche Membran mit nur einer Graphenschicht herzustellen, w?re mit unserer Methode nicht m?glich gewesen. Denn in der Praxis ist Graphen nicht perfekt?, sagt Park. Das Material kann laut dem Wissenschaftler gewisse Unregelm?ssigkeiten in der Wabenstruktur der Kohlenstoffatome aufweisen. Hin und wieder fehlen einzelne Atome in der Struktur. Dies beeintr?chtigt nicht nur die Stabilit?t des Materials, auch w?re es unm?glich, an einer Fehlstelle eine hochpr?zise Pore zu ?tzen. Die Forschenden l?sten dieses Problem, indem sie zwei Graphenschichten ¨¹bereinanderlegten. Die Wahrscheinlichkeit, dass auf diese Weise zwei Fehlstellen genau ¨¹bereinander zu liegen kommen, sei sehr gering, sagt Park.
Schnellstm?gliche Filtration
Ein zentraler Vorteil der winzigen Dimension: Je d¨¹nner eine Membran ist, desto geringer ist ihr Widerstand, und desto h?her ist die Energieeffizienz. ?Mit solchen Membranen so d¨¹nn wie einzelne Atome k?nnen wir die Durchflussrate f¨¹r eine gegebene Porengr?sse maximieren. Ausserdem glauben wir, dass unsere Membran die denkbar schnellste Filtration erm?glicht?, sagt Celebi.
Bis solche Anwendungen im industriellen Massstab oder die Herstellung von funktioneller Regenbekleidung m?glich sind, muss der Herstellungsprozess allerdings weiterentwickelt werden. F¨¹r die Erforschung der Grundlagen haben die Forscher mit kleinsten Membranst¨¹cken von weniger als einem Hundertstel Quadratmillimeter gearbeitet. Es wird daher k¨¹nftig darum gehen, gr?ssere Membranfl?chen herzustellen und damit verschiedene Filtrationstechniken zu erforschen.
Literaturhinweis
Celebi K, Buchheim J, Wyss RM, Droudian A, Gasser P, Shorubalko I, Kye JI, Lee C, Park HG: Ultimate Permeation across Atomically Thin Porous Graphene. Science, 2014, 344: 289-344, doi: externe Seite10.1126/science.1249097