Anwendung der Substratschichtungstechnik auf Graphenoxid
Graphen wird aufgrund seiner überdurchschnittlichen Stärke, Dünne, Leitfähigkeit und seiner optischen Eigenschaften oftmals als Supermaterial bezeichnet. Doch sein Potenzial erreicht noch eine ganz andere Ebene, wenn es mit andersartigen Materialien kombiniert wird. Durch die Schaffung solcher Hybridmaterialien können die Eigenschaften von Graphen weiter optimiert werden. Für Forscher eröffnen sich dadurch neue und spannende Aussichten für Anwendungen, und gleichzeitig wird eine bessere Integration von Graphen in Vorrichtungen gewährleistet. Basierend auf diesem Gedanken startete Dr. Sergio Moya vom Centre for Cooperative Research in Biomaterials (CIC biomaGUNE) im März 2014 das Projekt HIGRAPHEN (Hierarchical Functionalization of Graphene for Multiple device fabrication). Er zielte darauf ab, unter Verwendung der Technologie der Substratschichtung – ein einfaches Verfahren zur Funktionalisierung von Oberflächen, das auf der schrittweisen Ablagerung von gegensätzlich geladenen Molekülen oder Materialien beruht – ein vielseitiges, allgemeines Verfahren zur Fertigung von Hybridvorrichtungen zu entwickeln, in denen Graphen mit polymeren, organischen und anorganischen Materialien verbunden wird. „Die treibende Kraft hinter der Substratschichtung ist die elektrostatische Interaktion zwischen den verbundenen Komponenten“, erklärt Dr. Moya. „Ursprünglich wurde diese Technik für die Verbindung von Polyelektrolyten, also Polymeren mit mehrfach geladenen Monomeren, entwickelt. Doch seither wurde sie auf zahlreiche Komponenten erweitert: Substratschichtungsfilm-Polyelektrolyte können mit Nanopartikeln, mit Lipiden, Zellen, Graphenoxid usw. kombiniert werden. Dies ist eine einfache und leistungsstarke Möglichkeit, Schnittstellen herzustellen und dabei die kovalente Chemie zu vermeiden, und verfügt über Potenzial in vielen Anwendungen: von Nanofiltermembranen über optoelektronische Geräte und smarte Beschichtungen bis hin zur Medikamentenverabreichung.“ Das Projekt ging noch einen Schritt weiter, indem es sich speziell auf die Kombination von Graphenoxid mit Metall und Metalloxid-Nanopartikeln sowie Polyelektrolyten konzentrierte, wobei mögliche Anwendungen in den Bereichen der Energiespeicherung und Katalyse in Erwägung gezogen werden. Obwohl die Substratschichtungstechnologie in der Oberflächentechnik und Dünnfilmfertigung weit verbreitet ist, wird sie durch HIGRAPHEN zur Verbindung heterogener Komponenten mit Graphenoxid besonders innovativ eingesetzt. Dr. Moya und sein Team stellten zunächst künstlich verschiedene Nanomaterialien wie Zinkselenid-Quantenpunkte (ZnSe), magnetische Nanopartikel und elektroaktive Polymere wie p-Aminobenzoesäure (PABA) her, ehe man diese dann in Substratschichtungsfilme mit mehreren Komponenten, darunter Graphenoxid, integrierte. Das Team des HIGRAPHEN-Projekts integrierte diese Gruppen danach in makroskopische Korrosionsschutzbeschichtungen und Geräte für optoelektronische Anwendungen und Energieumwandlung. „Eine der größten Herausforderungen für uns bestand darin, eine dichte Anordnung von Graphenoxid in Kombination mit Polymeren zu erreichen. Dies führte zur Entwicklung verschiedener Ansätze zur Beschichtung des Graphenoxids und dessen Kombination mit Nanopartikeln“, sagt Dr. Moya. Insgesamt demonstriert das wichtigste Ergebnis des Projekts, dass Graphenoxid so kombiniert werden kann, dass dichte Polymer-Verbundwerkstoffe entstehen und dass es zur Katalyse ohne Weiteres mit Metallnanopartikeln verbunden werden kann. HIGRAPHEN neigt sich im März 2018 dem Ende zu, doch laut Dr. Moya verfolgen die Projektpartner bereits interessante neue Forschungsrichtungen, die auf den Projektergebnissen für die Vorrichtungsfertigung und katalytische Anwendungen aufbauen.
Schlüsselbegriffe
HIGRAPHEN, Substratschichtung, Graphen, Verbundwerkstoffe, Optoelektronik, Energieumwandlung, Nanomaterialien
