Forschungen an der University of Illinois 03.12.2019, 09:01 Uhr

Wie viel Energie wird zum Biegen von Graphen benötigt

An der University of Illinois wurden im Rahmen aktueller Forschungen atomare Experimente mithilfe von Computermodellen durchgeführt. Sie dienten dem Zweck, herauszufinden, wie viel Energie notwendig ist, um mehrschichtigen Graphen zu biegen. Eine Antwort auf diese Frage konnten die Wissenschaftler seit der erstmaligen Isolierung des Stoffes nämlich noch nicht finden.

Illustration der Wabenstruktur von Graphen

Die Struktur von Graphen ist wabenförmig und sieht unspektakulär aus. Trotzdem bringt sie erstaunliche Eigenschaften mit sich.

Foto: panthermedia.net/Keport

Bei Graphen handelt es sich um eine einzelne, in einem Gitter angeordnete Schicht von Kohlenstoffatomen. De facto stellt der Stoff das stärkste existierende Material dar und ist dennoch so dünn, dass es über Flexibilität verfügt. Aufgrund dieser Eigenschaften wird angenommen, dass der Stoff eine Schlüsselkomponente künftiger Technologien ist.
Obschon sich die derzeitige Graphenforschung vorrangig darauf konzentriert, nanoskalige elektronische Geräte zu entwickeln, gib es auch zahlreiche Technologien, die ein Verständnis der Mechanik von Graphen erfordert. Hierbei geht es vorrangig darum, wie sich der Stoff biegt. Relevant sind derartige Fragen zur Entwicklung winziger Roboter sowie dehnbarer Elektronik.
Bei der sogenannten Biegesteifigkeit eines Materials handelt es sich um eine der basalsten mechanischen Eigenschaften desselben. In Bezug auf den Stoff weisen Wissenschaftler darauf hin, dass – und zwar obschon sich Forscher seit mehr als 20 Jahren mit dem Stoff auseinandersetzen – sie diesbezüglich noch keine ausreichenden Erkenntnisse gewonnen haben.

Neue Forschungsergebnisse zu Graphen

Ein Forscherteam der University of Illinois konnte hinsichtlich dieses Aspekts nun interessante Erkenntnisse verzeichnen. Die Wissenschaftler haben Graphen im Rahmen ihrer Studien entweder sehr stark oder aber nur sehr wenig gebogen. Dabei fanden Sie heraus, dass sich der Stoff in diesen beiden unterschiedlichen Situationen different verhält. Wurde das mehrschichtige Graphen lediglich ein bisschen gebogen, verhielt es sich gewissermaßen wie ein Stück Holz, also wie eine steife Platte. Wurde der Stoff sehr stark gebogen, glitten die Atomschichten aneinander vorbei, der Stoff verhielt sich eher wie ein Stapel Papier. Interessant gestaltete sich an den Forschungsarbeiten, dass jedes Forscherteam zu anderen Ergebnissen kam, aber irgendwie doch alle richtig lagen, denn es existieren tatsächlich unterschiedliche Biegungsgrade.

Die Herstellung des gebogenen Graphens

Zur Herstellung des gebogenen Graphens verwendeten die Forscher einzelne Atomschichten, die aus hexagonalen Bornitrid bestanden. Dabei handelt es sich ebenfalls um ein 2D-Material. Die einzelnen Atomschichten wurden in atomaren Schritten angefertigt, wobei das Graphen letztlich über die Oberseite geprägt wurde. Mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls schnitten die Wissenschaftler dann eine Materialscheibe ab. Mithilfe eines Elektronenmikroskops wurde dann die Atomstruktur abgebildet, so dass die Forscher herausfinden konnten, wo sich jede der Graphenschichten befand.

Im Anschluss konnten die Wissenschaftler einen Satz differenter Simulationen und Gleichungen entwickeln, mithilfe derer eine Berechnung der Biegefestigkeit anhand der Form der jeweiligen Graphenbiegung möglich wurde.
Letztlich gelang es den Wissenschaftlern eine ebenso präzise wie kontrollierte Methode zu erarbeiten, anhand der sie evaluieren konnten, welche Biegefestigkeit das Material in differenten Konfigurationen aufweist.

Zu diesen Ergebnissen kamen die Wissenschaftler

Die Forscher kamen letztlich zu dem Schluss, dass gewisse Kräftearten bei Biegen von Graphen von Bedeutung sind: Nämlich die Adhäsion und damit die Anziehungskraft von Atomen, durch die versucht wird, das Graphen nach unten zu ziehen. Umso steifer der Stoff ist, desto stärker wird er danach streben, wieder nach oben zu gelangen und auf diese Weise dem Haftungszug zu widerstehen.
Dabei werden durch die jeweilige Form, in welcher der Stoff die atomaren Schritte übernimmt, diejenigen Informationen kodiert, die zur Biegesteifigkeit desselben relevant sind. Im Rahmen der Forschungen wurde systematisch exakt kontrolliert, wie stark sich das Graphen verbog und welche Modifikationen die Eigenschaften des Stoffes dabei durchliefen.

Professor Elif Ertekin, der in den Bereichen Ingenieurwesen und Maschinenbau tätig ist, kam zu folgendem Schluss: „Da wir Graphen untersucht haben, das in verschiedenen Mengen gebogen wurde, konnten wir den Übergang von einem Regime zum anderen, von starr zu flexibel und von Platten- zu Blechverhalten sehen.“ Zudem konstatierte er wie folgt: „Wir haben atomare Modelle gebaut, um zu zeigen, dass dies der Grund dafür sein könnte, dass die einzelnen Schichten übereinander gleiten können. Als wir diese Idee hatten, konnten wir mit dem Elektronenmikroskop den Schlupf zwischen den einzelnen Schichten bestätigen.“

Welche Relevanz haben die Forschungsergebnisse?

Vor allem auf die Entwicklung und Konstruktion von kleinen und flexiblen Maschinen, beispielsweise ausgelegt zur Interaktion mit biologischem Material oder Zellen, sind die Forschungsergebnisse von Bedeutung. So sind Zellen in der Lage, ihre Form zu verändern und Reaktionen auf ihre Umgebung zu zeigen. Entsprechend dienen die Forschungsergebnisse vorrangig der Entwicklung innovativer elektronischer Systeme, die die Eigenschaften respektive Fähigkeiten biologischer Systeme simulieren bzw. aufweisen sollen.

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