Kleinster Ballon der Welt aufgepustet

Eine Kohlenstoffschicht, nur ein Atom dick, ließ sich unterm Rasterkraftmikroskop zum Ballon "aufblasen"

Kleinster Ballon der Welt
Kleinster Ballon der Welt

Ithaca (USA) - Hauchdünne Graphen-Schichten sind für Gase undurchlässig. Zum Beweis haben US-Forscher aus dem Kohlenstoffmaterial winzige Ballons aufblasen können. Die kleinsten maßen nur rund 250 Nanometer, also millionstel Millimeter im Durchmesser. Auch nach mehreren Tagen blieb das erst vor wenigen Jahren entdeckte Graphen gasdicht, es widerstand dabei Druckunterschieden von einem Bar. Wenn die unterschiedlichen Gase entwichen, dann durch das Glas, mit dessen Hilfe die Forscher die Ballons in Form gebracht hatten. Gleichzeitig maßen sie die Elastizität und die Resonanzfrequenz der Graphenschichten, die Details berichtet das Fachblatt "Nano Letters". Mit diesen Erkenntnissen lassen sich die Ballons künftig als winzige Drucksensoren oder die dünnen Schichten als Nano-Waagen einsetzen.

"Wir zeigen, dass eine einmolekulare Graphenmembran undurchlässig ist für Standardgase, inklusive Helium", schreiben die Forscher um den Physikprofessor Paul McEuen an der Cornell University. Das Team hatte testen wollen, wie durchlässig das Graphen für Gase ist. Es präparierte unterschiedliche Proben aus Graphen, dem Material, das aus nur ein Kohlenstoffatom dicken Schichten besteht. Mithilfe "mechanischer Exfoliation", indem also ein Klebefilm jeweils nur eine Atomschicht von einem Grafitblock abschält, entstanden monomolekulare Schichten, aber auch Membranen aus bis zu neun Graphenschichten übereinander. Diese legten die Forscher auf eine Oberfläche aus Kieselglas, in welches sie kleine Dellen gebohrt hatten: von einem bis hundert Quadratmikrometern Fläche und 250 Nanometern bis drei Mikrometern Tiefe. Da die Dellen das Gas enthielten, dienten die Graphenschichten als Versiegelung, gehalten von den Van-der-Waals-Kräften, einer schwachen Wechselwirkung auf molekularer Ebene. Durch Druckveränderungen dehnte sich das eingeschlossene Gas aus oder zog sich zusammen und verformte damit die Graphenschicht nach innen oder außen.

Je nachdem, wie das Graphen sich unter bestimmten Druckverhältnissen dehnte, ließ sich die Elastizität bestimmen. Wie sich herausstellte, entspricht diese der von Grafit. Die winzigen Ballons dürften sich auch als Drucksensor verwenden lassen. Mithilfe eines Lasers brachten die Forscher die Schichten dann zum Vibrieren, um seine Resonanzfrequenz zu messen, aus der sich die exakte Masse des Graphens berechnen lässt.