Neue Methode verbindet Graphen-Nanoschichten für härtere, elastische Filme

Wabenförmige Schichten aus Kohlenstoffatomen sind ein wahres Supermaterial: Ihre ungewöhnlich hohe Leitfähigkeit und ihre günstigen mechanischen Eigenschaften könnten die Entwicklung biegsamer Elektronik, neuer Batterien und innovativer Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt voranbringen. Die Entwicklung elastischer und zäher Filme bleibt allerdings eine Herausforderung.

In der Zeitschrift Angewandte Chemiehat ein Forscherteam nun eine Methode vorgestellt, um diese Hürde zu überwinden: Sie verknüpften Graphen-Nanoschichten über „erweiterbare“ Brückenstrukturen.

Die besonderen Fähigkeiten der mikroskopischen Graphen-Nanoschichten gehen häufig verloren, wenn die Schichten zu Folien zusammengesetzt werden, da sie nur durch relativ schwache Wechselwirkungen – hauptsächlich Wasserstoffbrücken – zusammengehalten werden.

Ansätze, die versuchen, die mechanischen Eigenschaften von Graphenfolien durch die Einführung stärkerer Wechselwirkungen zu verbessern, waren bisher nur teilweise erfolgreich. Insbesondere bei der Dehnbarkeit und Zähigkeit der Materialien besteht noch Raum für Verbesserungen.

Ein Team um Xuzhou Yan von der Shanghai Jiao Tong University (China) verfolgte einen neuen Ansatz: Sie vernetzten Graphen-Nanoschichten mit mechanisch miteinander verbundenen Molekülen, deren Bausteine ​​nicht chemisch verknüpft, sondern untrennbar räumlich verschränkt sind. Als Verbindungselemente wählten die Forscher Rotaxane.

Ein Rotaxan ist ein „Rad“ (ein großes ringförmiges Molekül), das auf eine „Achse“ (eine Molekülkette) „aufgefädelt“ ist. Sperrige Gruppen schützen die Achsen, damit sich die Räder nicht von der Fäden lösen. Das Team baute seine Achse mit einer geladenen Gruppe (Ammonium), die das Rad in einer bestimmten Position hält.

An Achse und Rad wurde über einen Linker ein molekularer „Anker“ (OH-Gruppe) befestigt. Das Graphen wurde zu Graphenoxid oxidiert, das auf beiden Seiten der Graphenschicht eine Vielzahl sauerstoffhaltiger Gruppen bildet. Dazu gehören Carboxylgruppen, die sich an die OH-Gruppen binden können (Veresterung). Durch diese Reaktion können Rad und Achse die Schichten vernetzen, woraufhin das Graphenoxid wieder zu Graphen reduziert wird.

Wenn diese Filme gedehnt oder gebogen werden, müssen die Anziehungskräfte zwischen dem Rad und der Ammoniumgruppe auf der Achse überwunden werden, was die Zugfestigkeit erhöht. Erhöhte Spannung führt schließlich dazu, dass die Achse durch das Rad gezogen wird, bis sie die Endkappe „trifft“. Diese Bewegung verlängert die Rotaxanbrücken, sodass die Schichten übereinander gleiten können, was die Dehnbarkeit des Films deutlich erhöht.

Flexible Elektroden aus dieser Graphen-Rotaxan-Folie ließen sich bis zu 20 Prozent dehnen oder mehrfach biegen, ohne Schaden zu nehmen. Dabei behielten sie ihre hohe elektrische Leitfähigkeit. Erst bei einer Dehnung von über 23 Prozent brachen sie.

Die neuen Folien waren deutlich fester als Folien ohne Rotaxane (247,3 vs. 74,8 MPa), zudem elastischer (23,6 vs. 10,2 %) und zäher (23,9 vs. 4,0 MJ/m3). Das Team konstruierte zudem ein einfaches „Greifwerkzeug“ mit mechanischen Gelenken, die mit den neuen Folien ausgestattet waren und von diesen angetrieben wurden.