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Zweidimensionale Träume#

Tech Forum zu Materialien: Experten zweifeln an der Anwendbarkeit des "Wunderstoffes" Graphen und sehen Umweltprobleme.#


Mit freundlicher Genehmigung übernommen aus der Wiener Zeitung (Sa./So., 3./4. Mai 2014)

Von

Eva Stanzl


Graphen, eine ultradünne Schicht aus Kohlenstoffatomen
Graphen, eine ultradünne Schicht (hier im Bild deren vier) aus Kohlenstoffatomen, könnte der Umwelt schaden.
© corbis/laguna design

Riverside/Wien. Graphen, eine ultradünne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die zu einem Bienenwabenmuster verbunden sind, bietet aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, Elastizität und Festigkeit weitreichende Anwendungsperspektiven. Vom dünnsten Regenmantel über den schnellsten Chip bis zur künstlichen Haut: Das Kohlenstoffblatt gilt als "Wundermaterial". Allerdings könnte die zweidimensionale Schicht, deren Erfinder 2010 den Physik-Nobelpreis erhielten, eine Gefahr für die Umwelt darstellen, berichten US-Forscher nun im Fachjournal "Environmental Engineering Science".

Die Wissenschafter um Jacob D. Lanphere vom Bourns College of Engineering der University of California in Riverside haben untersucht, wie stabil Graphen und das daraus abgeleitete Graphenoxid in Gewässern bleiben. Eine besondere Eigenschaft von Graphenoxid ist seine Wasserlöslichkeit. Der Vorzug könnte aber der Umwelt schaden, wenn die winzigen Partikel sich auflösen.

Nanopartikel im Grundwasser#

"Die Situation ist jener vor etwa 30 Jahren sehr ähnlich, als wir noch keine Erfahrung hatten, was Reste von Medikamenten und Chemikalien in Flüssen auslösen", erklärt Lanphere: "Wir wissen sehr wenig darüber, was passiert, wenn technisch hergestellte Nanomaterialien in das Ökosystem gelangen."

Bisher konnten die Forscher zeigen, dass Graphenoxid-Partikel im Grundwasser, welches härter ist und weniger organischen Kohlenstoff enthält als andere Gewässer, an Stabilität verlieren und in den Untergrund sickern. In weicheren Oberflächengewässern mit mehr organischem Kohlenstoff bleiben die Nanopartikel stabiler, bewegen sich aber schneller und über größere Distanzen. Abfälle aus einer Elektronik-Produktion in Wien wären also im Handumdrehen im Schwarzen Meer. Ob sie die Fische dort krankmachen würden, weiß niemand. Weitere Studien sollen dies klären und erörtern, wie mit dem Material am besten umzugehen ist.

Eine andere Frage ist, wie oft und wie breit das zweidimensionale "Wundermaterial" tatsächlich zum Einsatz kommen wird. "Es gibt viele Visionen, die relativ wenig mit reellen Produkten zu tun haben", sagt Ivica Kolaric, Leiter der Abteilung für Funktionale Materialien des Fraunhofer Instituts Stuttgart. Der Physiker wird beim Tech Forum der Wirtschaftskammer Österreich am Montag über Graphen referieren. Kolaric ist der Ansicht, das Kohlenstoffblatt sei "eine Material-Innovation wie jede andere", die in ihrer reinen, zweidimensionalen Form in erster Linie für die physikalische Grundlagenforschung interessant sei. "Wir können damit Theorien experimentell überprüfen: Wie viel Leitfähigkeit hat ein Material? Wie werden Elektronen transportiert? Das ist das Wesentliche." Eine materielle Revolution wie bei Plastik ist also nicht zu erwarten. Doch ein Nobelpreis für einen bloßen Hype? So eng will Kolaric es dann doch wieder nicht sehen. Er verweist aber auf praktische Probleme. "Es ist ein Material mit intrinsisch guten Eigenschaften. Aber diese Eigenschaften gelten für eine perfekte Graphen-Lage, die es de facto nie gibt." Die Industrie müsse abwägen, wo der zweidimensionale Stoff wirklich von großem Vorteil sein kann. Denn die Massenproduktion sei problematisch und teuer und damit sei Graphen für viele Anwendungen nicht wettbewerbsfähig.

Bei einer Art der Herstellung dienen Kupferfolien als Katalysator. Ein Gas wird bei 600 Grad Celsius über die Folie geleitet. Dabei scheidet sich eine Graphen-Lage mit allen Eigenschaften der Träume ab - müsste sie nicht auf ein Ziel-Substrat transferiert werden. "Noch niemand hat das geschafft, ohne die Schicht zu zerstören", sagt Kolaric. Die bisher größte Ausbeute an perfektem Graphen sei einen Fingernagel groß. Es sei schwer vorstellbar, Computer-Bildschirme daraus anzufertigen.

Graphen-Nanoplatelets können in einem weniger komplizierten, elektrochemischen Verfahren erzeugt werden. Sie sehen wie zwei Mal zwei Mikrometer kleine Corn Flakes aus. Da sie statt einer Lage zehn Graphit-Lagen dick sind, sind sie etwas weniger superkalifragilistischexpiraligetisch, aber verfügbar. Mit Graphen-Nanoplatelets werden Kunststoffe verstärkt. Oder Sauerstoffbarrieren für Lebensmittel-Verpackungen erzeugt, die bewirken sollen, dass ein Weckerl zwei Tage lang resch bleibt. Auch hier sind die gesundheitlichen Auswirkungen wenig erforscht. "Im Moment gibt es keine Anzeichen, dass von Graphen eine Toxizität ausgeht", sagt Kolaric: "Wir wissen aber nicht, ob es mit Plastik und Nahrungsmitteln negativ reagiert. Vermutlich brächte es aber weniger Probleme als ein Holzkohlengrill, der jede Menge Kohlenstoff auf dem Essen hinterlässt."

Das Auto, das nie tanken muss#

Elektroautos mit Batterien so groß wie Kofferradios, deren Aufladen Stunden dauert, könnten Vergangenheit sein, noch bevor sie in der breiten Bevölkerung ankommen. Kolaric arbeitet an Superkondensatoren für Fahrzeuge auf Graphen-Basis. Diese Energiespeicher-Systeme sollen die E-Autos binnen Sekunden aufladen. "Heute werden Batterien eingesetzt, die so lange brauchen, um sich aufzuladen, wie um sich zu entladen. Wegen der hohen spezifischen Oberfläche von Graphen können wir drei Mal so viel Energie speichern, wenn wir es in die Elektroden einsetzen", sagt er. Schon in fünf Jahren könnten erste Fahrzeuge damit ausgestattet sein. Dann müssten Autofahrer nicht einmal mehr bei der Tankstelle durchfahren, um zu "tanken", sondern könnten sich kontaktlos aufladen. Das Autofahren kostet dann nichts? "Vom Antrieb her nicht", sagt der Physiker: "Die Betreiber der Ladestationen könnten aber Gebühren verlangen."

Es könnte aber auch anders kommen. Am Fraunhofer Institut werden nämlich weitere 2D-Materialien entwickelt für die nächste Generation an Elektronik. Immer mehr Computerchips müssen immer schneller takten und Silizium stößt an seine Grenzen. "Graphen war der Pionier in der Welt der 2D-Materialien. Es wird aber noch ein ganzes Füllhorn kommen, das spannender ist", so Kolaric: "Alleine wir evaluieren deren 30 für die Anwendungsentwicklung." Wir bleiben gespannt.

Wiener Zeitung, Sa./So., 3./4. Mai 2014

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