Gebürstete Nanoschicht

Neue Synthese zur ERzeugung hauchdünner Kohlenstoffschichten für diverse Anwendungen

Ein vielversprechendes Nanomaterial lässt sich künftig möglicherweise für verschiedene Anwendungen maßschneidern. Wissenschaftler der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm haben eine elegante Methode entwickelt, um selbst-organisierte Kohlenstoff-Nanoschichten herzustellen und diese chemisch mit verschiedenen Funktionen auszustatten. Solchen funktionalisierten Nanoschichten aus Kohlenstoff werden diverse Verwendungen zugetraut. So könnten sie als Beschichtungen dienen, die Oberflächen sowohl kratzfest als auch schmutzabweisend machen. Oder auch als Sensoren für den Nachweis extrem geringer Substanzmengen. Aus der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstoffschichten ergeben sich außerdem diverse Einsatzgebiete als elektronische Bauteile.

[note Eine Nanofolie, die diverse Funktionen übernehmen kann: Das Forscherteam hat aus Molekülen, die sich auf einer Wasseroberfläche selbstorganisiert parallel aneinander anlagern und dabei einen dichten Teppich bilden, eine Kohlenstoff-Nanoschicht erzeugt. Die Folie lässt sich auf beiden Seiten mit Funktionen für verschiedene Anwendungen ausstatten, indem die Enden der Ausgangsmoleküle mit entsprechenden chemischen Anhängseln versehen werden. In der Aufnahme mit einem Raster-Elektronenmikroskop ist die Nanoschicht auf einem perforierten Mikroskop-Träger zu sehen.]

Zwergenformat könnte groß raus kommen

In der Technik von morgen könnte das Zwergenformat groß raus kommen. In vielen Varianten erforschen Wissenschaftler Nanomaterialien, also Stoffe mit Abmessungen im Bereich von bis zu 100 Nanometern. Die Vorsilbe Nano leitet sich vom griechischen Wort für Zwerg ab und steht für einen Milliardstel Teil. Ein Nanometer ist also ein Milliardstel Meter. Ein Material mit diesen Dimensionen hat es Wissenschaftlern besonders angetan: Kohlenstoff-Nanoschichten. Dabei handelt es sich um wabenartig aufgebaute Schichten aus Kohlenstoffatomen, deren Dicke im Bereich weniger Nanometer oder sogar darunter liegt. Das dünnste denkbare solcher Kohlenstoff-Nanoschichten ist dabei Graphen – eine einlagige Schicht aus Kohlenstoff.

Für viele Anwendungen wäre es wichtig, diese ultradünnen Kohlenstoffteppiche noch gezielt mit bestimmten chemischen Molekülresten auszustatten, sogenannten funktionellen Gruppen. „Dies ist aber bisher nur eingeschränkt möglich, da Carbon Nanosheets üblicherweise bei sehr hohen Temperaturen gewonnen werden – und damit unter Bedingungen, die solche funktionellen Gruppen sofort wieder zerstören würden“, erklärt Gerald Brezesinski vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm bei Potsdam. Mit Kollegen seines Instituts hat Brezesinski nun die Lausanner Forscher bei der Entwicklung eines Syntheseansatzes unterstützt, der vor diesem Hintergrund interessant werden könnte. Mit ihm wären Kohlenstoff-Nanoschichten mitsamt funktioneller Gruppen bei erheblich niedrigeren Temperaturen zugänglich, als sie üblicherweise bei der Herstellung von solchen Materialien verwendet werden.

Tiefer Griff in die chemische Trickkiste

Um eine flächige Struktur aus Kohlenstoffatomen zu bilden, wendeten die Schweizer Forscher eine Reihe von Tricks an. Ein wesentlicher lag in der gewählten Ausgangsverbindung. Dabei handelte es sich um ein Molekül, das im mittleren Abschnitt abwechselnd sechs Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifach- und Einfachbindungen aufweist. Diese Abschnitte bestehen nur aus Kohlenstoffatomen und sind dadurch so reaktiv, dass sie auch bei niedriger Temperatur chemische Reaktionen eingehen können. Anders als in anderen Verfahren gelingt es somit, dünne Kohlenstoffschichten sogar schon bei Raumtemperatur herzustellen.
Folgt: Kohlenstoff-Nanoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht