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19.07.2024

18.06.2024

Quervernetzung von Graphen-Nanolagen über Rotaxane

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Atomare Schichten wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome gelten als das Supermaterial schlechthin: Dank außergewöhnlich hoher Leitfähigkeit und günstiger mechanischer Eigenschaften soll Graphen biegsame Elektronik, neue Batterietypen sowie innovative Verbundmaterialien, z.B. für Luft- und Raumfahrt, Aufwind bescheren. Die Entwicklung sowohl dehnbarer als auch zäher makroskopischer Folien bleibt jedoch eine Herausforderung. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam eine neue Methode vor, um diese zu meistern: Sie verknüpfen Graphen-Nanolagen über "ausziehbare" Verbrückungselemente.

Die besondere Leistungsfähigkeit hauchdünnerGraphen-Nanolagen bleibt oft auf der Strecke, wenn diese zu Folien zusammengefügt werden, da sie nur durch relativ schwache Wechselwirkungen, vor allem Wasserstoffbrücken, zusammengehalten werden. Ansätze, die mechanischen Eigenschaften von Graphenfolien durch Einbringen stärkerer Wechselwirkungen zu verbessern, waren bisher nur teilweise erfolgreich, so lassen vor allem Dehnbarkeit und Zähigkeit der Folien zu wünschen übrig.

Das Team um Xuzhou Yan von der Jiaotong-Universität Shanghai (China) wählte einen neuartigen Ansatz: Die Quervernetzung von Graphen-Nanolagen über mechanisch verzahnte Moleküle. Deren Bausteine sind nicht chemisch verknüpft, sondern untrennbar räumlich ineinander verschränkt. Die Wahl fiel auf sogenannte Rotaxane: Ein Rotaxan besteht aus einem "Rad" (großes ringförmiges Molekül), das auf eine "Achse" (molekulare Kette) "aufgefädelt" ist. Voluminöse Achsen-Endstücke verhindern das Abfädeln.

Das Team konstruierte die Achse so, dass sie eine geladene Gruppe (Ammoniumgruppe) enthält, die das Rad in einer bestimmten Position hält. Sowohl an der Achse als auch am Rad wurde über ein Verbindungsstück je ein molekularer "Anker" (OH-Gruppe) angeknüpft. Das Graphen wurde zu Graphenoxid oxidiert. Dabei werden verschiedene sauerstoffhaltige Gruppen auf beiden Seiten der Graphenlage gebildet, u.a. Carboxylgruppen, an die die OH-Gruppen binden können (Veresterung). Rad und Achse sorgen so für eine Quervernetzung der Lagen. Anschließend wird das Graphenoxid wieder zu Graphen reduziert.

Werden diese Folien gedehnt oder gebogen, müssen zunächst die Anziehungskräfte zwischen der Ammoniumgruppe der Achse und dem Rad überwunden werden, was die Zugfestigkeit erhöht. Bei weiterer Belastung wird die Achse bis zum "Anschlag" am Stopper durch das Rad gezogen, die Verbrückung dadurch verlängert und die einzelnen Nanoschichten können gegeneinander gleiten. Die Dehnbarkeit wird so deutlich erhöht.

Flexible Elektroden aus den Graphen-Rotaxan-Folien ließen sich um bis zu 20% dehnen oder wiederholt biegen, ohne beschädigt zu werden. Dabei blieb ihre hohe elektrische Leitfähigkeit erhalten. Erst bei einer Dehnung von mehr als 23% kam es zum Bruch. Im Vergleich zu Folien ohne Rotaxane waren die neuen Folien deutlich stärker (247,3 vs 74,8 MPa), dehnbarer (23,6 vs 10,2%) und zäher (23,9 vs 4,0 MJ/m3). Außerdem konstruierte das Team ein einfaches "Greifwerkzeug" mit mechanischen Gelenken, die mit den neuartigen Folien ausgestattet und betätigt wurden.

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Quelle: Angewandte Chemie