Exfoliation von Monoschichten: das Tor zur industriellen Anwendung

Prof. Coleman demonstrierte zuerst die Herstellung von Nanomaterialien am Beispiel von Graphen – einer Monoschicht aus Kohlenstoff, die nur eine Atomlage dick ist und einzigartige elektronische Eigenschaften besitzt. Er zeigte, dass die Behandlung von in Flüssigkeit suspendiertem Schüttgraphit mit Schallenergie Kohlenmonoschichten vom Graphitkristall löst (Exfoliation). Dadurch entsteht eine flüssige Dispersion mit einlagigen Graphenflocken. Im Jahr 2010 erhielt er einen ERC Starting Grant, um das Potenzial seiner preisgekrönten Forschungen zu demonstrieren und zu erweitern. In der Tat wäre das Gewicht eines Elefanten auf einem Bleistift nötig, um eine Schicht aus Graphen zu durchdringen, die nicht dicker als eine Klarsichtfolie ist.

Prof. Colemans Team wendet die Technologie nun bei vielen anderen industriellen Materialien an, beispielsweise der Exfoliation des metallischen Leiters Monotantalsulfid, dem Isolator Bornitrid und dem Halbleiter Molybdändisulfid (MoS2). Alle sind Komponenten nanoelektronischer Bauteile – von wesentlicher Bedeutung ist aber, dass diese in flüssiger Phase verarbeitet werden. Indem sich also die suspendierten Monoschichten auf einer Oberfläche absetzen und einen kontinuierlichen Film bilden, wurden gestapelte Lagen aus leitfähigen, isolierenden und halbleitenden Schichten mit kontrollierter Dicke und klar definierten elektrischen und optischen Eigenschaften erzeugt. Daraus lässt sich in großtechnischem Maßstab eine Vielzahl von Systemen wie Halbleiter und Detektoren herstellen.

Und das Potenzial der Forschungen liegt nicht nur im Bereich Elektronik. Monoschichten aus Molybdändisulfid sind 20 Mal fester als Stahl, daher eignet es sich auch zur Verstärkung anderer Materialien wie Kunststoffen, die ebenfalls in flüssigen Lösungsmitteln verarbeitet werden. Prof. Colemans Team demonstrierte diesen Prozess, indem einem häufig verwendeten Polymerkunststoff eine geringe Menge MoS2 zugesetzt wurde, was die Festigkeit mehr als verdoppelte!

Kunststoffe sind als Strukturkomponenten allgegenwärtig - zum Beispiel als Automobilteile. Durch Verdoppeln der Festigkeit lässt sich die Hälfte an Material einsparen – was in erster Linie die zur Herstellung von Kunststoffen benötigte Erdölmenge und das Gewicht reduziert und letztendlich den CO2-Ausstoß der Kraftfahrzeuge verringert. Prof. Colemans Forschung wird als "Gateway-Technologie" bezeichnet, und wenn sie sich bei industriellen Anwendungen bewährt, wird ihr Marktwert enorm sein.

Im Vorfeld seines TEDx-Vortrags sagte Prof. Coleman: " Ich bin sehr gespannt darauf, dem Publikum auf der TEDx die neuesten Entwicklungen in den Materialwissenschaften vorzustellen. Die Entdeckung von Graphen ebnet den Weg für zahlreiche neue und praktische Anwendungen, und ich bin sicher, man wird auf der TEDx genauso enthusiastisch auf die Herstellung zweidimensionaler Monoschichten aus verschiedensten Materialien reagieren wie ich! "

Der Vortrag von Prof. Coleman zu diesen Entwicklungen findet auf der TEDx-Konferenz in Brüssel auf der ERC-Sitzung um 14:15 Uhr statt.