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Dresdner Kugelmühle mahlt Hightech-Werkstoffe

Die mechanische Energie aufeinanderprallender Mahlkugeln ermöglicht es lösungsmittelfrei Nanographen-Strukturen in Kugelmühlen aufzubauen. Grafik: Sven Grätz, TUD

Die Dresdner TU-Chemiker setzen die mechanische Energie aufeinanderprallender Mahlkugeln ein, um lösungsmittelfrei Nanographen-Strukturen in Kugelmühlen aufzubauen. Grafik: Sven Grätz, TUD

Forscher der TU Dresden kombinieren Chemie und Grobmechanik, um 2D-Kohlenstoffnetze zu erzeugen

Dresden, 25. Mai 2018. Dresdner Chemiker haben einen außergewöhnlichen Weg gefunden, um mit umweltfreundlichen Brachialmethoden höchst filigrane Energiespeicher und extrem dünne Elektronikbauteile zu erzeugen: Als ob sie Felsbrocken zertrümmern wollten, haben sie Kohlenstoffverbindungen durch eine Kugelmühle gejagt. Dabei entstanden 2D-Kohlenstoffnetze, die nur eine Atomlage dünn sind – sogenannte Nano-Graphene.

Mikro-Lampen, Bildschirme und winzige Quantenlabore mit Nano-Graphen konstruierbar

Solche zweidimensionalen Moleküle gelten als extrem interessante Werkstoffe, weil sie mechanisch sehr stabil sind, als Elektronenfallen dienen können und winzig kleine Quantenlabore ermöglichen. Auch mikroskopisch kleine Lampen, besonders leuchtstarke Bildschirme und schnellere organische Schaltkreise lassen sich damit bauen. Der Praxis-Einsatz der Graphene scheitert aber immer wieder an der schwierigen Herstellung. Seit Jahren schon versuchen Forscher weltweit, eine Massenproduktion anzukurbeln. Das selbe gilt für die kleineren Geschwister der Graphene: die Nano-Graphene, in denen sich „nur“ ein paar Dutzend oder wenige Hundert Kohlenstoff-Atome vernetzt haben. Ein Problem dabei: Die Nano-Graphene werden bisher meist mühsam und vergleichsweise umweltschädlich unter Einsatz von Lösungsmitteln hergestellt.

Animation: Mikroleuchten aus Nanographen (Columbia University New York)

Statt Erzbrocken zu zertrümmern erzeugt die Kugelmühle nun Nanostrukturen

Dr. Lars Borchardt und seine Nachwuchsgruppe „Mechanocarb“ von der Chemie-Fakultät der TU Dresden forschen daher bereits seit 2015 an einer alternativen Produktionsmethode, die chemische und mechanische Prinzipien kombiniert. Einen Lösungsansatz haben sie nun in Kugelmühlen gefunden: Das sind altbekannte Konstruktionen, bei denen zum Beispiel Erzbrocken oder Kohle zusammen mit schweren Kugeln in eine Trommel gesteckt werden. Dreht sich die Mühle, prallen Kugeln und Erz beziehungsweise Kohlestücken immer wieder aufeinander, bis nur noch – halbwegs – feines Mahlgut übrigbleibt.

Hoffnung auf Massenproduktion

Mit dieser eigentlich grob anmutenden Methode ist es den Dresdner Chemikern nun verblüffenderweise gelungen, hochfeine Nanostrukturen zu erzeugen: Nanographen-Bänder, in denen sich 60 oder 222 Kohlenstoff-Atome nur in der Ebene vernetzt haben. „Wir werden diese Methode auch auf komplett unlösliche Moleküle anwenden“, kündigte Dr. Borchardt an. „Damit könnte man in kurzer Zeit und wenigen Syntheseschritten Graphen-Nanobänder in einem für die Anwendung relevanten Maßstab herstellen.“

Autor: Heiko Weckbrodt