Neues Verfahren zur technologischen Nutzung von 2D-Nanomaterialien

Für das menschliche Auge sind geschichtete Kristalle nach der osmotischen Quellung nur als unklare, verklumpte Strukturen sichtbar.
Foto: UBT / Christian Wißler

Nanosheets sind feinstrukturierte zweidimensionale Materialien und haben ein hohes Innovationspotenzial. In geschichteten Kristallen sind sie übereinander fixiert und müssen zunächst voneinander getrennt werden, damit sie beispielsweise zur Filterung von Gasmischungen oder für effiziente Gasbarrieren eingesetzt werden können. Für diesen schwierigen Prozess der Delaminierung hat ein Forschungsteam der Universität Bayreuth jetzt ein schonendes, umweltfreundliches und auch im Industriemaßstab anwendbares Verfahren entwickelt. Damit konnte erstmals ein Kristall aus der technologisch attraktiven Gruppe der Zeolithe für ein breites Feld potenzieller Anwendungen nutzbar gemacht werden.

Das in Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Josef Breu entwickelte Verfahren zur Delaminierung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strukturen der voneinander isolierten Nanosheets unbeschädigt erhalten bleiben. Es hat überdies den Vorteil, dass es bei normaler Raumtemperatur anwendbar ist. In „Science Advances“ stellen die Forscher*innen ihre Ergebnisse im Detail vor.

Die zweidimensionalen Nanosheets, die in geschichteten Kristallen übereinander liegen, werden durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten. Damit sie für technologische Anwendungen genutzt werden können, müssen die elektrostatischen Kräfte überwunden und die Nanosheets voneinander gelöst werden. Ein dafür besonders geeignetes Verfahren ist die osmotische Quellung, bei der die Nanosheets durch Wasser sowie die darin gelösten Moleküle und Ionen auseinandergedrückt werden. Bisher konnte sie aber nur auf wenige Kristallarten angewendet werden, unter anderem auf einige Tonminerale, Titanate oder Niobate. Für die Gruppe der Zeolithe hingegen, deren Nanosheets aufgrund ihrer silikathaltigen Feinstrukturen für die Herstellung von Funktionsmembranen hochinteressant sind, schien der Mechanismus der osmotischen Quellung bisher nicht anwendbar zu sein.

Das Bayreuther Forschungsteam hat jetzt erstmals in interdisziplinärer Zusammenarbeit einen Weg gefunden, um die osmotische Quellung für die schonende Auftrennung von Ilerit-Kristallen zu nutzen, die zur Gruppe der Zeolithe gehören. Dabei werden zunächst große Zuckermoleküle in die engen Abstände zwischen den Nanosheets eingefügt. Anschließend werden die übereinander gelagerten und strukturell gleichgerichteten Nanosheets durch Wasser auseinander gedrückt. Ihre Abstände werden dabei erheblich größer. Jetzt lassen sich die Nanosheets in verschiedenen Richtungen horizontal weit auseinander schieben: Bei anschließender Trocknung entsteht eine feste Fläche, die sich aus vielen Nanosheets zusammensetzt: Diese liegen ähnlich wie Spielkarten aneinander, überlappen sich nur an den Rändern und lassen nur wenige Lücken offen. Der Durchmesser der einzelnen Nanosheets ist dabei rund 9.000 Mal größer als ihre Dicke.

Damit eröffnet sich nun die Möglichkeit, eine größere Anzahl solcher Flächen übereinander zu fixieren und neue geschichtete Materialien aufzubauen. Die Pointe dieses Verfahrens liegt darin, dass die Nanostrukturen der Flächen im neuen Material gegeneinander versetzt sind. Folglich liegen auch ihre Lücken nicht exakt übereinander, so dass Moleküle, Ionen oder auch Lichtsignale das neue Material nicht auf einem direkten geraden Weg durchdringen können. Diese labyrinthartige Gesamtstruktur ermöglicht ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen – sei es in Verpackungen, die der Frischhaltung von Lebensmittel dienen, in Bauteilen für die Optoelektronik oder möglicherweise auch in Batterien.

Forschungsförderung:
Die Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und vom Elitenetzwerk Bayern im Rahmen des Elitestudienprogramms „Macromolecular Science“ an der Universität Bayreuth gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Josef Breu
Anorganische Chemie I
Universität Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 / 55-2530
E-Mail: josef.breu@uni-bayreuth.de

Originalpublikation:

Patrick Loch et al.: Nematic suspension of a microporous layered silicate obtained by forceless spontaneous delamination via repulsive osmotic swelling for casting high-barrier all-inorganic films. Science Advances (2022), DOI: https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abn9084

http://www.uni-bayreuth.de/

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