Wenn Sie in den letzten zehn Jahren in der Nähe eines Wissenschaftsjournals waren, sind Sie auf eine Art Superlativ in Bezug auf Graphen gestoßen - das zweidimensionale Wundermaterial, das verspricht, alles von Computer zu Biomedizin zu transformieren.
Dank einer Handvoll bemerkenswerter Eigenschaften herrscht ein großer Hype um die Anwendungen von Graphen. Es ist 1 Million Mal dünner als ein menschliches Haar, aber 200 Mal stärker als Stahl. Es ist flexibel, kann aber als perfekte Barriere fungieren und ist ein ausgezeichneter Stromleiter. Wenn Sie all das zusammenfassen, haben Sie ein Material mit einer Vielzahl potenziell revolutionärer Anwendungen.
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Was ist Graphen?
Graphen ist Kohlenstoff, aber in einem ein Atom dicken Wabengitter. Wenn Sie auf Ihre alten Chemie-Lektionen zurückgreifen, werden Sie sich daran erinnern, dass Materialien, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen, je nach Anordnung der Atome drastisch unterschiedliche Eigenschaften haben können (unterschiedliche Allotrope). Der Graphit in Ihrer Bleistiftmine ist beispielsweise weich und dunkel im Vergleich zu dem harten und transparenten Diamanten in Ihrem Verlobungsring. Vom Menschen geschaffene Kohlenstoffstrukturen sind nicht anders. Das kugelförmige Buckminsterfulleren wirkt anders als die gewickelten Anordnungen von Kohlenstoffnanoröhren.
Graphen besteht aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter. Von den oben genannten ist es in seiner Form dem Graphit am nächsten, aber während dieses Material aus zweidimensionalen Kohlenstoffschichten besteht, die durch schwache intermolekulare Bindungen Schicht für Schicht gehalten werden, ist Graphen nur eine Schicht dick. Wenn Sie eine einzelne, ein Atom hohe Kohlenstoffschicht von Graphit abziehen könnten, hätten Sie Graphen.
Die schwachen intermolekularen Bindungen in Graphit lassen es weich und schuppig erscheinen, aber die Kohlenstoffbindungen selbst sind robust. Dies bedeutet, dass ein Blatt, das ausschließlich aus diesen Kohlenstoffbindungen besteht, stark ist - etwa 200-mal stärker als der stärkste Stahl, während es gleichzeitig flexibel und transparent ist.
Graphen wurde lange Zeit theoretisiert und versehentlich in kleinen Mengen hergestellt, solange Menschen Graphitstifte verwenden. Die Hauptisolation und Entdeckung basiert jedoch auf der Arbeit von Andre Geim und Konstantin Novoselov im Jahr 2014 an der Universität von Manchester. Berichten zufolge führten die beiden Wissenschaftler Freitagabend-Experimente durch, bei denen sie Ideen außerhalb ihrer täglichen Arbeit testeten. Während einer dieser Sitzungen verwendeten die Forscher Klebeband, um dünne Kohlenstoffschichten von einem Graphitklumpen zu entfernen. Diese bahnbrechende Forschung führte schließlich zur kommerziellen Herstellung von Graphen.
Nachdem sie 2010 den Nobelpreis für Physik gewonnen hatten, spendeten Geim und Novoselov den Bandspender an das Nobelmuseum.
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Wofür kann Graphen verwendet werden?
Eine wichtige Sache ist, dass Wissenschaftler alle Arten von Materialien entwickeln, die auf Graphen basieren. Dies bedeutet, dass es wahrscheinlich besser ist, über Graphene nachzudenken, genauso wie wir über Kunststoffe denken würden. Im Wesentlichen kann das Aufkommen von Graphen zu einer völlig neuen Materialkategorie führen, nicht nur zu einem neuen Material.
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In Bezug auf Anwendungen wird in so weitreichenden Bereichen wie Biomedizin und Elektronik bis hin zu Pflanzenschutz und Lebensmittelverpackungen geforscht. Die Möglichkeit, die Oberflächeneigenschaften von Graphen zu modifizieren, könnte es beispielsweise zu einem hervorragenden Material für die Arzneimittelabgabe machen, während die Leitfähigkeit und Flexibilität des Materials eine neue Generation von Touchscreen-Schaltkreisen oder faltbaren tragbaren Geräten einläuten könnte.
Die Tatsache, dass Graphen eine perfekte Barriere gegen Flüssigkeiten und Gase bilden kann, bedeutet, dass es auch mit anderen Materialien verwendet werden kann, um eine beliebige Anzahl von Verbindungen und Elementen zu filtern - einschließlich Helium, das ein außerordentlich schwer zu blockierendes Gas ist. Dies hat eine Reihe von Anwendungen in der Industrie, könnte sich aber auch als sehr nützlich für die Umweltanforderungen im Zusammenhang mit der Wasserfiltration erweisen.
Die multifunktionalen Eigenschaften von Graphen öffnen die Türen für eine enorme Anzahl von Verbundanwendungen. Während viel darüber nachgedacht wurde, wie bereits vorhandene Technologien gefördert werden können, werden kontinuierliche Fortschritte auf diesem Gebiet letztendlich zu völlig neuen Bereichen führen, die zuvor unmöglich gewesen wären. Könnten wir eine ganz neue Klasse der Luft- und Raumfahrttechnik sehen? Was ist mit optischen Augmented-Reality-Implantaten? So wie es aussieht, werden wir es im 21. Jahrhundert herausfinden.
