Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dünnstmögliche Membran hergestellt

18.04.2014

Eine neue Nano-Membran aus dem «Wundermaterial» Graphen ist extrem leicht und atmungsaktiv. Nicht nur eine neue Generation von funktioneller Regenbekleidung, sondern auch ultraschnelles Filtrieren könnte damit möglich werden. Die Membran der ETH-Forschenden ist so dünn, wie es technisch nur geht.

Forschende haben eine stabile poröse Membran hergestellt, die dünner ist als ein Nanometer. Das ist hunderttausendmal weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Die Membran besteht aus zwei Schichten des oft als Wundermaterial gepriesenen Graphen, einem zweidimensionalen Film aus Kohlenstoffatomen, in das die Wissenschaftler unter der Leitung von Hyung Gyu Park, Professor am Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich, winzige Poren von genau definierter Grösse ätzten.

So ist die Membran durchlässig für kleinste Moleküle. Grössere Moleküle und Partikel hingegen können sie entweder nur langsam oder gar nicht passieren. «Mit der Dicke von nur zwei Kohlenstoffatomen ist dies die dünnste technisch machbare poröse Membran überhaupt», sagt ETH-Doktorand Jakob Buchheim, einer der Erstautoren der Studie, welche die ETH-Forscher zusammen mit Wissenschaftlern der Empa und einem Forschungslabor von LG Electronics durchführten und in der Fachzeitschrift «Science» veröffentlichten.

Dereinst könnte die ultradünne Graphenmembran eine ganze Reihe von Anwendungen finden, etwa in funktioneller Regenbekleidung. «Unsere Membran ist nicht nur sehr leicht und flexibel, sondern vor allem tausendmal atmungsaktiver als Goretex», sagt Kemal Celebi, Postdoc in Parks Gruppe und ebenfalls Erstautor der Studie.

Denkbar wäre auch eine Anwendung um Gasgemische in ihre Bestandteile aufzutrennen oder um Verunreinigungen aus Flüssigkeiten zu filtrieren. Denn in der Studie haben die Wissenschaftler erstmals zeigen können, dass sich Graphenmembranen überhaupt eignen, um Wasser zu filtrieren. Schliesslich können sich die Wissenschaftler den Einsatz der Membran in Geräten zur präzisen Messung und Charakterisierung Strömungsphänomenen von Gasen und Flüssigkeiten auf der Nanoebene vorstellen.

Durchbruch in der Nanofabrikation

Den Forschenden gelang es nicht nur, ihr Ausgangmaterial, eine zweischichtige Graphen-Folie, mit einer aussergewöhnlich hohen Reinheit herzustellen, sondern sie konnten auch die Poren mit hoher Genauigkeit in den Graphen-Film ätzen. Dazu verwendeten sie die sogenannte Ionenfeinstrahltechnik (FIB), die auch bei der Herstellung von Halbleitern zum Einsatz kommt.

Dabei wird ein Strahl von Helium- oder Galliumionen hochpräzise gesteuert, um Material wegzuätzen. So konnten die Wissenschaftler Poren in unerreichter Präzision und der gewünschten Anzahl und Grösse in das Graphen ätzen. Dieser Arbeitsschritt dauerte nur wenige Stunden, früher brauchte es dazu mehrere Tage. «Die Herstellung der Membran war nur dank dieses Durchbruchs in der Nanofabrikation möglich», sagt Ivan Shorubalko, Wissenschaftler an der Empa, der an der Arbeit beteiligt war.

Um die Präzision zu erreichen, mussten die Wissenschaftler mit zweischichtigem Graphen arbeiten. «Eine solche Membran mit nur einer Graphenschicht herzustellen, wäre mit unserer Methode nicht möglich gewesen. Denn in der Praxis ist Graphen nicht perfekt», sagt Park.

Das Material kann laut dem Wissenschaftler gewisse Unregelmässigkeiten in der Wabenstruktur der Kohlenstoffatome aufweisen. Hin und wieder fehlen einzelne Atome in der Struktur. Dies beeinträchtigt nicht nur die Stabilität des Materials, auch wäre es unmöglich, an einer Fehlstelle eine hochpräzise Pore zu ätzen. Die Forschenden lösten dieses Problem, indem sie zwei Graphenschichten übereinanderlegten. Die Wahrscheinlichkeit, dass auf diese Weise zwei Fehlstellen genau übereinander zu liegen kommen, sei sehr gering, sagt Park.

Schnellstmögliche Filtration

Ein zentraler Vorteil der winzigen Dimension: Je dünner eine Membran ist, desto geringer ist ihr Widerstand, und desto höher ist die Energieeffizienz. «Mit solchen Membranen so dünn wie einzelne Atome können wir die Durchflussrate für eine gegebene Porengrösse maximieren. Ausserdem glauben wir, dass unsere Membran die denkbar schnellste Filtration ermöglicht», sagt Celebi.

Bis solche Anwendungen im industriellen Massstab oder die Herstellung von funktioneller Regenbekleidung möglich sind, muss der Herstellungsprozess allerdings weiterentwickelt werden. Für die Erforschung der Grundlagen haben die Forscher mit kleinsten Membranstücken von weniger als einem Hundertstel Quadratmillimeter gearbeitet. Es wird daher künftig darum gehen, grössere Membranflächen herzustellen und damit verschiedene Filtrationstechniken zu erforschen.

Literaturhinweis

Celebi K, Buchheim J, Wyss RM, Droudian A, Gasser P, Shorubalko I, Kye JI, Lee C, Park HG: Ultimate Permeation across Atomically Thin Porous Graphene. Science, 2014, 344: 289-344, doi: 10.1126/science.1249097

News und Medienstelle | ETH Zürich
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie