Neue verblüffende Eigenschaft von Graphen entdeckt

24. Dezember 2017, 07:00
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Hauchdünner Kohlenstofffilm wechselt unter Druck Struktur und wird hart wie Diamant. Das könnte Beschichtungen revolutionieren

New York – Graphen gilt seit seiner Entdeckung im Jahr 2004, die mit einem Nobelpreis belohnt wurde, als Wundermaterial: Die Kohlenstoffschichten, die nur eine Atomlage dünn sind, beeindrucken unter anderem durch ihre hohe elektrische Leitfähigkeit und Stabilität. Nun entdeckte die Physikerin Elisa Riedo (City University of New York) mit Kollegen eine weitere erstaunliche Eigenschaft des Kohlenstoffmaterials.

Druck macht ultrahart

Riedo platzierte mehrere Lagen von Graphen auf einer Oberfläche aus Siliziumkarbid. Danach drückten sie die Spitze eines Atomkraftmikroskops auf diese Schichten. Diese Schichten wurden extrem hart und konnten nicht mal mit einer Diamantspitze verformt werden. Berechnungen ergaben eine immense Festigkeit von mehr als 1000 Gigapascal.

foto: elisa riedo (cuny) et al. / nature nanotechnology
Bei Druck werden zweilagige Graphenschichten hart wie Diamant.

Dank weiterer Analysen zeigte sich, dass die Graphenschichten aufgrund des Drucks der Atomkraftmikroskopspitze einen Phasenwechsel vollzogen und eine nur zwei Atome dicke Schicht ausbildeten, in denen sich die Kohlenstoffatome in Tetraedern wie in einem Diamanten anordneten. Der Trick gelang jedoch nur mit genau zwei Graphen-Lagen. Dünnere und dickere Schichten zeigten den kompletten Phasenwechsel nicht und blieben deutlich weicher.

Mögliche Anwendungen von "Diamen"

Die Forscher tauften den ultradünnen und superharten Film Diamen, dessen elektrische Leitfähigkeit wegen des Phasenwechsels in die Diamantstruktur deutlich abnahm. Doch diese Eigenschaft erwies sich als reversibel: Ohne drückende Mikroskopspitze stieg die Leitfähigkeit prompt wieder an, wie Riedo mit ihrem Team im Fachblatt "Nature Nanotechnology" berichtet.

Die Nanoforscher gehen davon aus, dass man auf Basis dieser Erkenntnisse extrem leichte, dünne und sogar durchsichtige Schutzschichten entwickeln könnte, die erst bei einer Druckbelastung hart wie Diamant werden. Sie halten es aber auch für möglich, die diamantartige Phase über Hitze- oder Gasbehandlungen dauerhaft stabilisieren zu können. (tasch, 23.12.2017)

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