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Wundermaterial Graphen Forscher fertigen dünnstmögliche Membran aus Graphen

Redakteur: Tobias Hüser

Eine neue Nano-Membran aus dem Wundermaterial Graphen ist extrem leicht und atmungsaktiv. Damit könnte ultraschnelles Filtrieren möglich werden. Die Entwickler der ETH Zürich gehen davon aus, dass die Membran so dünn ist, wie es technisch nur geht.

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Hauptgebäude der ETH Zürich, Blick auf Kuppel und Haupteingang
Hauptgebäude der ETH Zürich, Blick auf Kuppel und Haupteingang
(Bild: ETH Zürich)

Zürich – Forscher der ETH-Zürich haben ein stabile und poröse Membran hergestellt, die dünner als 1 nm ist. Das ist hundertausendmal weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die Membran besteht aus zwei Schichten des oft als Wundermaterial gepriesenen Graphen, einem zweidimensionalen Film von Kohlenstoffatomen, in das die Wissenschaftler unter der Leitung von Hyung Gyu Park, Professor am Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich, winzige Poren von genau definierter Größe ätzten.

So ist die Membran durchlässig für kleinste Moleküle. Größere Moleküle und Partikel können den Filter dagegen nur langsam oder gar nicht passieren. „Mit der Dicke von nur zwei Kohlenstoffatomen ist dies die dünnste technisch machbare poröse Membran überhaupt“, 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 durchführten und in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten.

Die ultradünne Graphenmembran könnte eine ganze Reihe von Anwendungen finden, etwa um Gasgemische in ihre Bestandteile aufzutrennen oder um Verunreinigungen aus Flüssigkeiten zu filtrieren. Denn in der Studie haben die Forscher erstmals aufgezeigt, dass sich Graphenmembranen überhaupt eignen, um Wasser zu filtrieren. Die Wissenschaftler können sich den Einsatz der Membran in Geräten zur Messung und Charakterisierung von Strömungsphänomenen von Gasen und Flüssigkeiten auf der Nanoebene vorstellen.

Durchbruch in der Nanofabrikation

Den Forschern gelang es nicht nur, die Graphen-Folie mit einer hohen Reinheit herzustellen, sie konnten auch die Poren mit hoher Genauigkeit in den Graphen-Film ätzen. Dazu verwendeten sie die Ionenfeinstrahltechnik (FIB), die auch bei der Herstellung von Halbleitern zum Einsatz kommt. Dabei wird ein Strahl von Helium- oder Galiumionen hochpräzise gesteuert, um Material wegzuätzen.

So konnten die Entwickler Poren in unerreichter Präzision und der gewünschten Anzahl und Größe in das Graphen ätzen. Dieser Arbeitsschritt dauerte nur wenige Stunden, früher brauchte es dazu mehrere Tage. „Die Herstellung der Membran war nur dank dieses Durchbruchs in der Nanofabrikation möglich“, sagt Ivan Shorubalko, Wissenschaftler an der Empa, der an der Arbeit beteiligt war.

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