Graphen, ein Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, zieht die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften auf sich. Seine Stärke, die die von Stahl übertrifft, bemerkenswerte Flexibilität und hohe Leitfähigkeit machen es zu einem Schlüsselelement in der Entwicklung neuer Technologien. Ein Team von Wissenschaftlern vom Ruđer Bošković Institut (IRB) verwendet Ionenstrahlen, um die Struktur von Graphen präzise zu formen, was zu neuen Anwendungen für dieses Material führen könnte.

IRB-Wissenschaftler haben durch Forschungen, deren Ergebnisse in der Zeitschrift Applied Surface Science veröffentlicht wurden, gezeigt, dass Hochenergie-Ionenstrahlen nanoporenreiches Graphen präzise formen können. Dieser Prozess verändert die Funktionalität von Graphen und eröffnet Möglichkeiten zur Schaffung von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezifische industrielle Bedürfnisse.

"Unsere Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis dar, wie man atomare Strukturen in Graphen kontrolliert. Die Kontrolle der Bildung von Nanoporen mit Hochenergie-Ionenstrahlen eröffnet neue Möglichkeiten zur Anpassung der Eigenschaften von Graphen für verschiedene Anwendungen," betonte Dr. Kristina Tomić Luketić, Postdoktorandin im Labor für Ionenstrahlinteraktionen am IRB.

Graphen wird als das dünnste Material anerkannt, das jemals entdeckt wurde, und ist auch einer der besten Wärme- und Stromleiter. Diese Eigenschaften machen es perfekt für fortschrittliche elektronische Geräte, Energielösungen und innovative Verbundmaterialien. Seine Anwendung ist bereits in flexiblen Displays, superschnellen elektronischen Schaltungen und ultraleichten Sportgeräten zu sehen. Aufgrund seiner Fähigkeit, molekulare Barrieren zu bilden, ist Graphen auch für Wasser- und Luftfilter geeignet, wo es die Effizienz erheblich verbessern und die Produktionskosten senken kann.

Ein Team von Forschern vom IRB, darunter Dr. Andreja Gajović vom Labor für Materialien zur Energiekonversion und Sensoren und Dr. Marko Karlušić vom Labor für Dünnschichten, hat eine Methode angewendet, die mit dem künstlerischen Schaffen mikroskopischer Meisterwerke auf atomarer Ebene verglichen werden kann. Hochenergetische Strahlen von Jod, Kupfer, Silizium und Sauerstoff, beschleunigt auf hohe Geschwindigkeiten, wurden verwendet, um Nanoporen in einlagigem Graphen zu erzeugen. Je nach Geschwindigkeit und Art der Ionen zeigten die Proben unterschiedliche Eigenschaften, wobei langsamere Ionen größere Poren erzeugten, ähnlich wie der Aufprall eines schweren Balls auf eine weichere Oberfläche.

Der Prozess der Formgebung von Graphen umfasst die Ablagerung von Ionenstrahlenergie, nukleare und elektronische Abbremskraft von Graphen für Ionenstrahlen. Die nukleare Abbremskraft kann Atome direkt aus ihren Positionen verdrängen, während die elektronische Abbremskraft durch Störung der elektronischen Struktur von Graphen Schäden verursacht, wodurch präzise maßgeschneiderte Nanostrukturen entstehen können.

Zusätzliche Forschungen haben gezeigt, wie das Substrat, auf dem sich Graphen befindet, die Eigenschaften der Schäden erheblich beeinflussen kann. Optimale Ergebnisse wurden erzielt, wenn die elektronische Abbremskraft die nukleare erheblich überwog. Dieses Wissen ermöglicht die Entwicklung neuer Methoden zur Schaffung fortschrittlicher Materialien wie nanoporenreichem Graphen, das in verschiedenen Bereichen Anwendung finden könnte, von Sensortechnologien bis zu Energiespeichersystemen.

Die Forschung wurde von der Kroatischen Wissenschaftsstiftung (HRZZ) und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung im Rahmen des Wissenschaftszentrums für Exzellenz für fortschrittliche Materialien und Sensoren finanziert.

Weitere Forschung
Die Wissenschaftler hoffen, durch weitere Forschung neue Wege zur Verbesserung der Eigenschaften von Graphen und seiner Anwendung in der Industrie zu entdecken. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von Technologien, die eine Massenproduktion von Graphen zu erschwinglicheren Preisen ermöglichen würden. Angesichts seiner einzigartigen Eigenschaften könnte Graphen viele Industrien revolutionieren, darunter Elektronik, Energie und Medizin.

Graphen-Perspektiven
Neben den bereits bekannten Anwendungen wird Graphen auch für den Einsatz in der Entwicklung neuer Batterietypen, Solarzellen und biomedizinischer Geräte erforscht. Seine Biokompatibilität und Fähigkeit zur Signalübertragung machen es zu einem idealen Kandidaten für fortschrittliche medizinische Implantate und Sensoren. Zusätzlich wird die Möglichkeit der Verwendung von Graphen zur Herstellung umweltfreundlicher Materialien erforscht, was erheblich zu einer nachhaltigen Entwicklung beitragen könnte.

Forschungsschlussfolgerungen
Die am IRB durchgeführten Forschungen stellen einen bedeutenden Schritt nach vorne im Verständnis und in der Anwendung von Graphen dar. Die präzise Formgebung dieses Materials auf Nanoebene eröffnet neue Möglichkeiten zur Anpassung seiner Eigenschaften, was zur Entwicklung neuer Technologien und zur Verbesserung bestehender führen könnte. Angesichts der außergewöhnlichen Eigenschaften von Graphen wird erwartet, dass seine Anwendung in der Zukunft nur noch zunehmen wird und neue Innovationen in verschiedenen Industrien bringen wird.

Kristina Tomić Luketić, Andreja Gajović, Marko Karlušić: High-energy heavy ions as a tool for production of nanoporous graphene, Applied Surface Science, Volume 669, 2024, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.160593