Höhen- und Seitenruder von Verkehrsflugzeugen oder die Fahrerzelle eines Formel-1-Rennwagens werden in Zukunft möglicherweise aus extrem festen Graphenplatten hergestellt. Damit könnten sie carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) ablösen. Die Platten sind erheblich billiger als CFK, weil der Energieverbrauch bei der Herstellung deutlich niedriger ist. Die Platten brauchen eine Temperatur von 45 Grad Celsius, die Fasern 2500 Grad.


Bild @ Beihang University. Mikrometergroße (ein Mikrometer ist ein Tausendstel Millimeter) Plättchen auf oxidiertem Graphen.

Forscher orientierten sich an Perlmutt

Das Forscherteam um Qunfeng Cheng, Chemieprofessor an der Beihang University in Peking, und Ray Baughman, Direktor des Nanotech-Instituts der University of Texas in Dallas, orientierte sich an der Natur, genauer an Perlmutt. Daraus bestehen viele Schalen von Muscheln und Schnecken. Das Material besteht aus dünnen Schichten Calciumcarbonat, die mit einem organischen Kleber verbunden sind. Dieser Verbund erreicht höchste Festigkeit.

Vorbild: Die Herstellung von Papier

Das US-chinesische Forscherteam baute sein Material genauso auf, allerdings aus als dünnen, locker miteinander verbundenen Plättchen aus Graphen. Das ist ein Film aus Kohlenstoffatomen, die bienenwabenförmig angeordnet sind. Er ist nur eine Atomlage dick, hat aber eine höhere Festigkeit als Stahl. Wenn man viele dieser Filme einfach übereinander stapelt verbessert sich die Festigkeit nicht. Dazu bedarf es einer Glanzleistung der Forscher. Sie stellten mikrometergroße (ein Mikrometer ist ein Tausendstel Millimeter) Plättchen auf oxidiertem Graphen her. Die verrührten sie mit Wasser. Mit einem Sieb schöpften sie die Plättchen heraus, die jetzt locker miteinander verbunden waren. Der Prozess ähnelt der Papierherstellung.


Plättchen werden chemisch miteinander vernäht

Um die Plättchen zu verfestigen werden sie an den Stellen, an denen sie sich überlappen, gewissermaßen chemisch miteinander vernäht. Dieses Bindemittel basiert auf chemischen und Van-der-Waal-Kräften. Es reduziert gleichzeitig den oxidierten Kohlenstoff, sodass wieder Graphen entsteht. „Unsere Filme können weit mehr Energie absorbieren als kohlenfaserverstärkte Kunststoffe, ehe sie zu Bruch gehen“, sagt Chen.

Die Filme sind nicht nur extrem fest. Sie leiten auch Strom und schirmen elektromagnetische Felder ab. „All diese Eigenschaften machen sie attraktiv für neuartige Anwendungen, die heute noch gar nicht angedacht sind“, sagt Sijie Wan, Doktorandin an der Beihang University und Mitglied des Forscherteams.

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