Mit Nanomembranen Moleküle aus Wasser oder Luft sieben

Freitragende und Millionstel-Millimeter dünne Membranen aus Kohlenstoff: Sie sind ein Spezialgebiet von Professor Dr. Armin Gölzhäuser von der Universität Bielefeld und seiner Forschungsgruppe. Die Nanomembranen können als ultrafeiner Filter und als Schutzschicht dienen. Die Bielefelder Physikerinnen und Physiker haben mehrere Patente zur Herstellung solcher Molekülschichten. In ihrer Forschung analysieren sie, welche Eigenschaften die Nanomembranen haben – als Grundlage für ihre künftige Anwendung.

In einem neuem „research_tv“-Beitrag der Universität Bielefeld erklärt Armin Gölzhäuser, was die Membranen zu Multitalenten macht, und er schätzt ein, welche Bedeutung sie künftig für die Reinigung von Wasser erlangen könnten.

Werden sie als Wasserfilter eingesetzt, lassen die Kohlenstoff-Nanomembranen nur Wassermoleküle durch und halten andere Moleküle heraus. Als Luftfilter könnten die Membranen zum Beispiel Kohlendioxid aus Autoabgasen entfernen. „Bisher ist allerdings weitgehend unklar, was passiert, wenn ein Molekül durch solch ein Sieb wandert“, sagt Gölzhäuser. „Wir untersuchen daher zum Beispiel: Berührt es die Membran, bleibt es dort haften oder fliegt es direkt durch die Poren der Membran hindurch?“

Mit den Erkenntnissen dieser Forschung können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Herstellungsverfahren verändern, um die Nanomembranen dem jeweiligen Zweck anzupassen – für jeden Einsatz die passende Nanomembran. „Wir können die Durchlässigkeit der Membranen für verschiedene Stoffe verändern, ebenso ihre Leitfähigkeit, Elastizität, Dichte und Dicke.“

Das Herstellungsverfahren haben Mitarbeiter aus Gölzhäusers Gruppe entwickelt: Dafür tauchen die Forscher einen Festkörper – zum Beispiel eine Goldoberfläche – in eine Flüssigkeit mit organischen Molekülen. Auf dem Festkörper lagern sich die Moleküle in einer dünnen Schicht ab, die dann mit Elektronen bestrahlt wird. Dadurch lösen sie eine kontrollierte chemische Reaktion aus: eine Quervernetzung – die Moleküle verbinden sich untereinander, die Nanomembran entsteht. Der schwierigste Schritt folgt aber noch. Sie muss von der tragenden Schicht abgelöst werden. „Dazu bringen wir eine sogenannte Transferschicht ein, mit der sich die Kohlenstoff-Nanomembran abtrennen lässt“, sagt Gölzhäuser.

Nanomembranen eignen sich nicht nur zum Filtern. Gölzhäusers Gruppe kann einlagige Membranen auch als undurchlässige Schutzschicht produzieren. Denkbar wäre ihr Einsatz in der Mikroelektronik. „Dort sind die Bauteile so klein, dass sie kaum mit Lacken überzogen werden können. Die Nanomembranen sind aber so dünn, dass sie sich darüber legen.“

Kontakt:
Prof. Dr. Armin Gölzhäuser, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106 5362
E-Mail: goelzhaeuser@physik.uni-bielefeld.de

Beitrag bei research_tv („Kohlenstoff-Nanomembranen. Ein Sieb für Moleküle“)

https://www.youtube.com/watch?v=TJi8v_RjrxI

http://ekvv.uni-bielefeld.de/blog/pressemitteilungen/entry/ultrad%C3%BCnne_membr… „Ultradünne Membranen aus Graphen“ (Pressemitteilung vom 27.09.2016)
https://www.physik.uni-bielefeld.de/pss Arbeitsgruppe Prof. Gölzhäuser
http://www.uni-bielefeld.de/research-tv/filme.html Übersicht der research_tv-Wissenschaftsvideos