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Wundermaterial Graphen Forscher fertigen dünnstmögliche Membran aus Graphen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) 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.

Um die Präzision zu erreichen, mussten die Wissenschaftler mit zweischichtigem Graphen arbeiten. „Eine solche Membran mit nur einer Graphenschicht herzustellen, wäre mit unserer Methode nicht möglich gewesen. Denn in der Praxis ist Graphen nicht perfekt“, sagt Park. Das Material kann laut dem Wissenschaftler gewisse Unregelmäßigkeiten in der Wabenstruktur der Kohlenstoffatome aufweisen.

Hin und wieder fehlen einzelne Atome in der Struktur. Dies beeinträchtigt nicht nur die Stabilität des Materials, auch wäre es unmöglich, an einer Fehlstelle eine hochpräzise Pore zu ätzen. Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie zwei Graphenschichten übereinanderlegten.Die Wahrscheinlichkeit, dass auf diese Weise zwei Fehlstellen genau übereinander zu liegen kommen, sei sehr gering, sagt Park.

Schnellstmögliche Filtration

Ein zentraler Vorteil der winzigen Dimension: Je dünner eine Membran ist, desto geringer ist ihr Widerstand, und desto höher ist die Energieeffizienz. „Mit solchen Membranen so dünn wie einzelne Atome können wir die Durchflussrate für eine gegebene Porengröße maximieren. Außerdem glauben wir, dass unsere Membran die denkbar schnellste Filtration ermöglicht“, sagt Celebi.

Bis solche Anwendungen im industriellen Massstab möglich sind, muss der Herstellungsprozess allerdings weiterentwickelt werden. Für die Erforschung der Grundlagen haben die Forscher mit kleinsten Membranstücken von weniger als einem Hundertstel Quadratmillimeter gearbeitet. Es wird daher künftig darum gehen, grössere Membranflächen herzustellen und damit verschiedene Filtrationstechniken zu erforschen.

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