Hauchdünne Kohlenstoffschichten für neuen Kompositwerkstoff

Hochstabil, flexibel und elektrisch leitend: US-Physiker kombinierten extrem dünne Schichten aus Kohlenstoff - Graphene genannt - mit Kunststoffen zu einem neuen Kompositmaterial.

Evanston (USA) - Von großem Vorteil erweis sich dabei ein günstiger und eleganter Herstellungsprozess, der eine Produktion im großtechnischen Maßstab ermöglichen soll. In der Zeitschrift "Nature" berichten sie, wie sie die nur eine Atomlage dünnen Schichten aus Grafit homogen in ein Trägermaterial aus Polymeren einbetten können. Es locken vielseitige, leichte und leitfähige Kompositwerkstoffe für den Fahrzeug- und Flugzeugbau.

Damit sollen Graphene-Schichten als günstige Alternative zu Nanoröhrchen aus Kohlenstoff - der Paradewerkstoff der Nanotechnologie - mit fast vergleichbaren Vorteilen genutzt werden können. "Für Graphene-Schichten werden viele ungewöhnliche Eigenschaften vorhergesagt", schreiben Rodney Ruoff und seine Kollegen von der Northwestern University in Evanston. Schon heute lassen sich diese nanostrukturierten Kohlenstoff-Blätter von Grafitblöcken abschälen, sind jedoch für viele technische Anwendungen zu filigran. Aber eingebettet in sehr dünne Kunststoffträger verleihen sie Polymerwerkstoffen je nach Menge elektrische Leitfähigkeit oder eine hohe Festigkeit. Bisher galt es als sehr schwierig, die Graphene-Lagen homogen in solche Matrizen einzulagern.

In einem ersten Schritt oxidierte Ruoffs Arbeitsgruppe das Ausgangsmaterial Grafit mit Phenylisocyanat. Durch die dabei angedockten Gruppen konnten kompakte Grafit-Blöcke in einzelne, nur etwa einen Nanometer dünne Graphene-Lagen aufgetrennt werden. Wegen der Abstoßungseffekte der hydrophoben Gruppen konnten diese chemisch veränderten, allerdings nicht mehr elektrisch leitenden Kohlenstoffschichten, gleichmäßig in organischen Polymer-Lösungen verteilt werden. Danach behandelten die Forscher diese Zwischenstufe mit einer reduzierenden Chemikalie (N,N-Dimethylhydrazin). Ohne miteinander zu verklumpen wurden die Graphene-Schichten wieder elektrisch leitfähig.

Auf der Basis von Polystyrol stellten die Forscher erste 0,4 Millimeter dünne Folien aus diesem leitfähigen Polymer-Graphene-Gemisch her. Ihre Versuche zeigten, dass nur ein geringer Anteil von 0,1 Volumenprozent Graphene den gesamten Kompositwerkstoff wieder leitfähig werden ließen. Nach Meinung von Kollegen sei diese Methode für eine industrielle Produktion in großem Maßstab geeignet.