Stabil, günstig und exotisch: 2D-Kristalle in einem Sandwich aus Graphen

Kimmo Mustonen: 2D-Materialien, dazu gehört eben Graphen, sind dünne Atomschichten in einem chemisch gesättigten Zustand. Das heißt, dass sie keine kovalenten Bindungen mit anderen Verbindungen eingehen. Wenn man nun zwei Graphenschichten nimmt und zusammenbringt, halten diese zwar zusammen – aufgrund der sogenannten Van-der-Waals-Wechselwirkungen, das sind die selben Kräfte, die es beispielsweise Geckos ermöglichen, kopfüber an der Decke zu klettern. Aber es bleibt dennoch ein winziges Volumen an Raum zwischen den Schichten. Durch chemische Synthese können wir diesen "Zwischenraum" noch ein wenig erhöhen und darin andere 2D-Komponenten wachsen lassen.

Genau das haben wir mit Kupfer- und Iodid-Kristallen gemacht, die außerhalb des Graphen gänzlich instabil wären und sich sofort selbst zerstören würden. Mit dieser Methode können wir nun auch andere 2D-Materialien in Graphen wachsen lassen, von denen manche extrem nützlich für bestimmte Anwendungsfelder sind, wie beispielsweise Optik oder Katalyse. Das Graphen-Sandwich schützt die eingekapselten Materialien vor der chemischen Umwelt, so dass sie nur sehr schwer zerstört werden können.

Mustonen: Stabil, günstig und exotisch!

Mustonen: Es gibt zurzeit keinerlei günstiges 2D-Material, abgesehen von exfoliertem Graphen, das sich für praktische Anwendungen eignen würde. Die Wachstumsmethode, die wir für die Herstellung des in Graphen eingeschlossenen 2D-Kupferiodids verwendet haben, ermöglicht es nun, neuartige Materialien zu schaffen, die in großen Mengen und zu günstigen Preisen produziert werden können.

Mustonen: Es schützt die darin synthetisierten 2D-Materialien vor äußeren Erschütterungen. Werden sie beispielsweise zur Katalyse von chemischen Reaktionen verwendet, dann können die Nebenprodukte der Reaktion den Katalysator, der von einer einzelnen Graphenschicht geschützt ist, nicht kontaminieren. Diese Materialien sind also an der Luft gänzlich stabil, wodurch auch ihre Lagerung und Produktion einfach ist.

Mustonen: Sowohl die Materialien als auch die Methoden, die wir einsetzen, um sie herzustellen, sind gänzlich neu. Jetzt geht es darum, die Chemie dahinter im Detail zu verstehen, also wie komplexe und vielseitige 2D-Materialien in einer Graphen-Kapsel synthetisiert werden können.

Mustonen: Der nächste Schritt besteht nun darin, die chemischen Prozesse, die während der Synthese ablaufen, im Detail zu analysieren und die physikalischen Eigenschaften der neuen Materialien zu bestimmen, um mögliche Anwendungsfelder auszuloten. Dazu müssen wir die Prozesse und Materialien auf antomarer und molekularer Ebene beobachten, das geht nur mit hochentwickelten und teuren Hightech-Forschungsgeräten. 

Mustonen: 2D-Materialien können beispielsweise für Solarzellen zum Einsatz kommen. Solarpanele sind groß und benötigen in der Herstellung Unmengen an Materialien. Unsere 2D-Materialien im Graphen-Sandwich sind die ersten aktuell vorhandenen 2D-Materialien, die die Anforderungen in Bezug auf Produktionsmengen und Kosteneffizienz erfüllen. 

Mustonen: Mein persönlicher Traum ist es, dass sowohl die Menschheit als auch unser Planet von unserer Forschung und von neuen, energieeffizienten und umweltfreundlicheren Technologien, die durch 2D-Materialien ermöglicht werden, profitieren.