Bay­reu­ther Forscher*innen ent­wickeln neu­es Ver­fah­ren zur tech­ni­schen Nut­zung von 2D-Nanomaterialien

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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.

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