Graphen ist sowohl 3D als auch 2D

26.09.2019 - Großbritannien

Graphen ist eigentlich sowohl ein 3D-Material als auch ein 2D-Material, so eine neue Studie der Queen Mary University of London.

Die Erkenntnis, dass es sich um ein 3D-Material handelt, ist wichtig für das Verständnis seiner mechanischen Eigenschaften und für die Entwicklung neuartiger graphenbasierter Geräte.

Häufig als "Wundermaterial" bezeichnet, hat Graphen die höchste bekannte thermische und elektrische Leitfähigkeit, ist stärker als Stahl, leicht, flexibel und transparent. Seine Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig und in letzter Zeit hat sich gezeigt, dass es sogar als Barriere gegen Mückenstiche dienen kann.

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In dieser Studie, die in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, stellten die Forscher zwei grundlegende Fragen: Inwieweit ist Graphen Graphit und wie ist die wahre Dicke von Graphen?

Zu ihrer Überraschung fanden sie heraus, dass 2D-Graphen, eine flache, einlagige Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einer Wabenstruktur angeordnet ist, viele der gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist wie 3D-Graphit, das eine natürlich vorkommende Form von Kohlenstoff ist, die aus einem sehr schwachen Stapel aus vielen Schichten Graphen besteht.

Sie zeigen, dass Graphen eine ähnliche Druckfestigkeit aufweist wie Graphit und dass es deutlich dicker ist, als allgemein angenommen.

Wenn die Dicke eines Blocks aus Graphit 100 Schichten gemessen wird, ist die Dicke einer einzelnen Graphenschicht einfach die Dicke des Graphenblocks geteilt durch 100. Daher ist es sinnvoll, die Dicke des Graphens als 0,34 nm zu betrachten.

Dr. Yiwei Sun, Hauptautor der Studie von der Queen Mary University of London, sagte: "Graphen verdankt seine Dicke einer Reihe von chemischen Bindungen, die über und unter der 2D-Ebene der Kohlenstoffatome herausragen. Daher ist Graphen wirklich ein 3D-Material, wenn auch mit einer sehr geringen Dicke.

"Durch die Anwendung der seit rund 400 Jahren angewandten konventionellen 3D-Theorie auf 2D-Materialien wie Graphen, die seit 15 Jahren bekannt sind, zeigen wir, dass ähnliche Argumente für andere sogenannte 2D-Materialien wie Bornitrid und Molybdändisulfid gelten. In diesem Sinne sind 2D-Materialien eigentlich alle 3D."

Graphen wird oft als das erste zweidimensionale Material der Welt bezeichnet. Es wurde 2004 entdeckt, indem Graphenflocken von Bulk-Graphit (verwendet in Bleistiftminen und Schmiermitteln) mit Klebeband abgezogen wurden.

Es gilt als Teil einer neuen Klasse von 2D-Materialien und wird derzeit von Wissenschaftlern als ein Atombogen mit sehr geringer Tiefe modelliert, daher der Name 2D-Material.

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Originalveröffentlichung

"3D strain in 2D materials: to what extent is monolayer graphene graphite?"; Y. W. Sun, W. Liu, I. Hernandez, J. Gonzalez, F. Rodriguez, D. J. Dunstan, and C. J. Humphreys; Physical Review Letters; 2019

https://www.chemie.de/news/1162956/graphen-ist-sowohl-3d-als-auch-2d.html