2D-Materialien, wie Graphen, eröffnen neue Grenzen in den Materialwissenschaften

Eine zufällige Entdeckung

Die meisten physischen Gegenstände bestehen aus 3D‑Materialien. Festkörper bestehen häufig entweder aus organisierten Atomen in vorbestimmten 3D‑Strukturen, die Metalle und Kristalle bilden, oder aus ungeordneten Atomen, die andere Dinge bilden.

Lange Zeit wurde angenommen, dass dies die einzige Form sei, in der Materie organisiert werden könne, um feste Objekte zu bilden. Doch vor 20 Jahren (2004) entdeckten zwei Forscher der Universität Manchester, Andre Geim und Professor Kostya Novoselov ein 2D‑Material, Graphen. Sie fanden es fast zufällig, als sie bemerkten, dass einfaches Klebeband, das auf Graphit (aus dem Bleistiftminen bestehen) angewendet wird, eine monoatomare Kohlenstoffschicht erzeugt.

Dies brachte ihnen später den Nobelpreis für Physik 2010 ein.

Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, jedoch sind diese im Gegensatz zu ungeordnetem Graphit oder dem organisierten Kristall (Diamant) in einer monoatomaren Schicht angeordnet, ähnlich einem ultradünnen Blatt Papier. Sie entdeckten außerdem, dass es sogar möglich ist, 1‑ oder null‑dimensionale Materialien zu bilden, wie Nanoröhren oder Quantenpunkte.

Quelle: Ossila

Was 2D‑Materialien besonders macht, ist, dass diese einzigartige Anordnung einzigartige physikalische Eigenschaften mit sich bringt.

Zum Beispiel ist Graphen extrem leitfähig, wobei Elektronen sich darin mit 1/300^th der Lichtgeschwindigkeit bewegen können. Es ist zudem ein sehr guter Wärmeleiter und besitzt die höchste Zugfestigkeit aller Materialien, obwohl es optisch transparent ist und nur 2 % des einfallenden sichtbaren Lichts absorbiert.

Quelle: Visual Capitalist

Viel mehr als nur Graphen

Die einzigartigen Eigenschaften von Graphen machten es sofort zum Fokus von Tausenden Forschern, die darauf brannten, seine besonderen elektrischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften zu enthüllen.

Allerdings begannen andere sich zu fragen, ob auch andere Elemente als Kohlenstoff 2D‑Materialien erzeugen könnten. Die Antwort lautete ja, wobei theoretische Vorhersagen Hunderte potenzieller 2D‑Materialien versprechen. Zu den wichtigsten und am meisten untersuchten 2D‑Materialien neben Graphen gehören unter anderem:

• Borophen, aus Bor‑Atomen hergestellt, erst 2015 entdeckt.
• Goldene, aus Gold‑Atomen hergestellt, erstmals 2024 produziert.
• Silicene, aus Silizium‑Atomen hergestellt.
• Phosphorene, aus Phosphor‑Atomen hergestellt.

Es scheint auch, dass 2D‑Materialien nicht nur aus einem reinen Element bestehen müssen – zum Beispiel Mono‑Schichten von Molybdändisulfid (MoS2) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄).

Andere Atome können ebenfalls an die Monoschicht gebunden werden, wodurch eine „rauhe“ Oberfläche entsteht, etwa wenn Wasserstoff an die Kohlenstoffatome von Graphen hinzugefügt wird, um Graphan zu bilden.

Quelle: By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

Aufgrund dieser extremen Materialvielfalt beginnen Forschende gerade erst, das Potenzial von 2D‑Materialien zu erschließen.

Anwendungen – Grundlegende Aspekte

Im Allgemeinen macht 2D‑Materialien einzigartig, dass ihre stark organisierte atomare Struktur eine besondere Anordnung ihrer Elektronen und eine enge Bindung zwischen den Atomen ermöglicht.

Dies erklärt wiederum die außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit (Elektronenfluss), Wärmeleitung (Energieübertragung zwischen Atomen) und physikalische Festigkeit (kovalente Bindungen zwischen Atomen durch Elektronenaustausch).

Die 2D‑Struktur verleiht diesen Materialien zudem die höchste spezifische Oberfläche (Oberfläche, an der Wechselwirkungen möglich sind) aller bekannten Materialien. Das macht sie zu hervorragenden Kandidaten für neue Katalysatoren oder allgemein für chemische und elektrische Reaktionen.

Supraleiter

Da Elektronen an der Oberfläche von 2D‑Materialien nahezu völlig frei fließen, gelten sie als gute Kandidaten für Supraleitung.

Supraleitung ist das Phänomen, bei dem ein Material Strom ohne jeglichen Widerstand leiten kann.

Das bedeutet, dass nicht nur kein Energieverlust entsteht – was für die Übertragung von Strom über weite Strecken sehr nützlich sein könnte – sondern auch, dass ein durch das Material fließender Strom keine Wärme erzeugt. Das macht es für sämtliche Anwendungen äußerst nützlich, von der Computertechnik über Elektrofahrzeuge bis hin zu praktisch jeder Technologie, die Strom nutzt.

Theoretisch könnte Supraleitung, insbesondere bei Raumtemperatur, die Beherrschung der Kernfusion ermöglichen, Schiffe mit Elektrizität antreiben, günstige & ultraschnelle Magnetschwebebahnen ermöglichen, Massenantriebe für den Orbit zu sehr geringen Kosten ermöglichen usw. (Wir haben die Frage der Supraleiter bei Raumtemperatur in unserem eigenen Artikel ausführlicher untersucht).

Viele 2D‑Materialien könnten unter den richtigen Bedingungen (z. B. Temperatur, Druck usw.) Supraleitung zeigen, darunter:

• Elementare Metall‑Ultradünnschichten.
• Cuprate.
• Perowskit‑Oxide.
• Schwerfermion‑Verbindungen aus Seltenerdmetallen.
• Graphen.
• Eisenselenid auf Oxidoberflächen.
• Organische Leiter auf Metalloberflächen.

Halbleiter

Halbleiter sind Materialien, die selektiv zwischen einem leitenden Zustand (der Elektronen überträgt) und einem isolierenden Zustand (der Elektronen blockiert) umschalten können. Dies ist das grundlegende Prinzip, auf dem Silizium‑Transistoren und andere Rechenelemente basieren, wobei 0 keinen elektrischen Strom und 1 das Vorhandensein von Strom bedeutet.

Je schneller ein Halbleiter den Zustand wechseln kann, desto schneller kann die zugehörige Berechnung erfolgen.

Graphen

Zunächst dachten Forscher, die Graphen untersuchten, es könnte Silizium in Halbleitern ersetzen. Leider fehlt ihm ein entscheidendes elektronisches Merkmal, die sogenannte „Bandlücke“.

Eine Bandlücke bestimmt, ob ein Material als Metall (Leitet Strom), Isolator (Blockiert Strom) oder Halbleiter (zwischen leitend und isolierend umschalten kann) eingestuft wird.

Quelle: Energy Education

Das Problem ist, dass Graphen überhaupt keine Bandlücke besitzt, was seine Verwendung als Halbleiter verhindert.

Das war so bis 2024, als Forscher ankündigten, dass sie den weltweit ersten aus Graphen hergestellten Halbleiter geschaffen haben.

„Wir haben jetzt einen extrem robusten Graphen‑Halbleiter mit zehnmal höherer Mobilität als Silizium, der zudem einzigartige Eigenschaften besitzt, die in Silizium nicht verfügbar sind.

„Wir mussten lernen, wie man das Material behandelt, wie man es immer weiter verbessert und schließlich, wie man die Eigenschaften misst. Das hat sehr, sehr lange gedauert.“

Goldene

Ein weiteres interessantes 2D‑Material ist Goldene, im Wesentlichen Graphen, bei dem Gold die Kohlenstoffatome ersetzt.

Gold wird bereits häufig in Chips und Computerkomponenten verwendet, dank seiner außergewöhnlichen Eigenschaften wie Oxidationsbeständigkeit und sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit.

Mit der Produktion im Jahr 2024 der ersten Goldene‑Monoschicht könnten Halbleitereigenschaften zur Liste hinzugefügt werden.

„Wenn man ein Material extrem dünn macht, geschieht etwas Außergewöhnliches – wie bei Graphen. Dasselbe passiert mit Gold. Wie Sie wissen, ist Gold normalerweise ein Metall, aber wenn eine Schicht nur ein einzelnes Atom dick ist, kann Gold stattdessen ein Halbleiter werden.“

Organische Halbleiter

Organische Moleküle bestehen aus einem Kohlenstoffgerüst, zusammen mit anderen Elementen, häufig Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel usw.

Vor kurzem entdeckten Forscher, dass sie organische Polymere zwingen können, in einer 2D‑Konfiguration zu bleiben und das Stapeln mehrerer Schichten übereinander zu vermeiden.

Quelle: POSTECH

Anschließend nutzten sie einen Schritt namens p‑Typ‑Dotierung, der üblicherweise bei der Herstellung von Halbleitern verwendet wird.

Dabei werden Elemente zu einem Halbleitermaterial hinzugefügt, um es noch leitfähiger zu machen.

Quelle: Wikipedia by VectorVoyager

Das resultierende Material wurde von den Forschern als „außergewöhnlich leitfähig“ beschrieben.

Selbst wenn Materialien wie Graphen in einer Halbleiterkonfiguration zu schwer massenproduzierbar sind oder Goldene zu teuer ist, werden organische Halbleiter wahrscheinlich die Einführung von 2D‑Halbleitern in naher Zukunft ermöglichen.

Super‑Materialien

Während die elektrischen Eigenschaften im Fokus der Wissenschaftler bei 2D‑Materialien stehen, sind ihre physikalischen Eigenschaften ebenso beeindruckend.

Zum Beispiel ist Graphen 200‑mal stärker als Stahl bei gleicher Masse. Graphen könnte in Beton integriert werden, ähnlich wie Stahl in gepanzertem Beton, und dabei einen Beton erzeugen, der 2,5‑mal stärker und 4‑mal weniger wasserpermeabel ist. Darüber hinaus rostet Graphen nicht wie Stahl, sodass graphenverstärkter Beton nicht anfällig für „Betonfäule“ durch Eisenoxidation ist, die die Lebensdauer von Betonbauten stark begrenzt.

Quelle: By Achim Hering – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

Der extreme Widerstand + das geringe Gewicht von Graphen und anderen 2‑Materialien könnten ebenfalls zur Herstellung besserer Körperschutzwesten genutzt werden.

Ein weiteres Anwendungsfeld kann das thermische Management sein. Zum Beispiel haben Forscher kürzlich herausgefunden, dass man ein Material herstellen kann, das sowohl isolierend als auch steif ist (eine seltene Kombination), indem man 2D‑Hybrid‑organisch‑anorganische Perowskite erzeugt.

2D‑Materialien wie Graphen und hexagonales Bornitrid könnten ebenfalls zur Wärmeableitung in elektronischen und optoelektronischen Geräten verwendet werden.

Schließlich könnten fortschrittliche, ultra‑resistente 2D‑Materialien zur Realisierung futuristischer Infrastrukturen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Weltraumaufzüge. Solche Schritte werden jedoch erst realistisch, wenn wir herausgefunden haben, wie man diese Materialien wirtschaftlich nicht in Gramm‑ oder Kilogramm‑Mengen, sondern in Millionen‑Tonnen‑Skala produzieren kann.

Biotechnologie

Sehr hohe Oberflächenfläche, extrem dünne Schicht und einzigartige chemische Eigenschaften machen 2D‑Materialien zu guten Kandidaten für zahlreiche Nischenanwendungen in der Medizin- und Biotechnologiebranche.

Dazu gehören Wirkstoffabgabe, Bildgebung, Gewebe‑Engineering, Biosensoren und Gassensoren.

Ein weiterer Faktor für das Aufkommen von 2D‑Materialien in biologischen Anwendungen sind die jüngsten Entdeckungen, die ihnen ein Merkmal namens Chiralität verleihen.

Chiralität ist ein chemischer Begriff, der bedeutet, dass Moleküle eine Links‑/Rechts‑Symmetrie besitzen. Chiralität ist ein wichtiges Merkmal organischer Moleküle, zum Beispiel der Aminosäuren, die die Bausteine von Proteinen sind.

Quelle: UC Santa Barbara

In Molekülen kann Chiralität dazu führen, dass biologische oder chemische Einheiten in zwei Versionen existieren, die nicht perfekt zueinander passen, wie bei einer linken und rechten Handschuh. Sie können sich exakt spiegeln, aber ein linker Handschuh passt nie so gut zur rechten Hand wie zur linken.

Prof. Dipanjan Pan

Kürzlich haben Forscher Borophen‑Plättchen synthetisiert, ähnlich wie Fragmente von Borophen in den Blutkreislauf gelangen würden. Sie entdeckten, dass die chiralen Eigenschaften der verschiedenen Borophen‑Versionen unterschiedlich mit den Zellmembranen interagierten und die Zellen unterschiedlich betraten.

Dies eröffnet den Weg zur Gestaltung maßgeschneiderter Borophen‑Strukturen für Anwendungen wie die „Entwicklung hochauflösender medizinischer Bildgebung mit Kontrast, die Zellinteraktionen präzise verfolgen kann, oder verbesserte Wirkstoffabgabe mit punktgenauen Material‑Zell‑Interaktionen.“

Ein besseres Verständnis darüber, wie die Borophen‑Struktur mit lebenden Zellen interagiert, wird ebenfalls dazu beitragen, ihr Sicherheitsprofil zu klären.

Während das Gesundheitsprofil von Borophen noch bewertet wird, scheint es, dass Graphen sogar sicher eingeatmet werden kann, ohne akutes Risiko für die menschliche Gesundheit. Diese Ergebnisse sind noch sehr vorläufig, deuten jedoch darauf hin, dass die schnelle Verbreitung von 2D‑Materialien keine öffentlichen Gesundheitsprobleme verursachen sollte.

Je biokompatibler sie sind, desto wahrscheinlicher können sie zur Entwicklung biologischer Sensoren oder zur Stromversorgung von Nanorobotern in unserem Blutkreislauf eingesetzt werden.

Einschränkungen

Herstellung im großen Maßstab

Selbst das am weitesten etablierte und zuerst entdeckte 2D‑Material, Graphen, bleibt nach wie vor im Bereich von Laboren und Start‑Ups.

Das liegt daran, dass die Massenproduktion nach wie vor eine knifflige Angelegenheit ist. Kleine Mengen herzustellen ist relativ einfach, aber massive Mengen in halbautomatisierter Weise zu produzieren, ist nicht.

Klebeband, das auf ein Stück Graphit aufgebracht wird, reichte aus, um Graphen zu entdecken. Für die Massenproduktion sind jedoch wesentlich komplexere Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erforderlich.

Dies wird allmählich zur Realität, zum Beispiel durch die Veröffentlichung eines Verfahrens für sauerstofffreie CVD, das hochreines Graphen erzeugt.

Kleben

Ein weiteres Problem bei 2D‑Materialien ist, dass sie aufgrund ihrer Dünnheit und chemischen Einzigartigkeit schwer auf andere Materialien zu kleben sind.

Es erfordert häufig spezialisierte Techniken, um eine Graphen‑Schicht an Computerchips, einer Stromversorgung oder einem medizinischen Gerät zu befestigen.

Dies kann deutlich zeit- und ressourcenintensiver sein als weniger effiziente, aber einfacher umsetzbare Alternativen.

Kosten

Da derzeit die meisten Produktionsmethoden und Anwendungen für bestehende Geräte meist im kleinen Maßstab oder maßgeschneidert erfolgen, bleiben 2D‑Materialien recht teuer.

Der tatsächliche Preis kann stark variieren, abhängig von der Reinheit, wobei zum Beispiel Graphen zwischen 20 $‑2.000 $/kg liegt.

Das bedeutet, dass Graphen selbst zum günstigsten Preis noch 20‑mal teurer ist als Stahl. Zudem ist wahrscheinlich eine höhere Reinheit als das Minimum erforderlich, um eine akzeptable Leistung beim Ersatz von Stahl zu erzielen.

2D‑Material‑Unternehmen

Das Feld der 2D‑Materialien entwickelt sich sehr schnell, wobei regelmäßig neue Optionen wie Goldene entdeckt werden und neue Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie man „alte“ Materialien optimieren kann, etwa indem man Graphen zu einem Halbleiter macht.

Diese Produkte werden wahrscheinlich erst dann zu einem bedeutenden Wirtschaftszweig, wenn sie im großen Maßstab mit industriellen Verfahren hergestellt werden.

Bisher ist das fortschrittlichste und am besten dokumentierte Verfahren CVD, was CVD‑Spezialisten einen erheblichen Vorteil verschafft, um einen großen Teil des Werts der 2D‑Materialherstellung zu erfassen.

1. Veeco

Veeco ist seit seiner Gründung im Jahr 1945 ein wichtiger Lieferant von Geräten für die Halbleiterfertigungsindustrie. Seine Maschinen werden bei der Herstellung fortschrittlicher EUV‑Chips, 5G‑Antennen, Festplatten, LIDAR, LEDs, Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge usw. eingesetzt.

Quelle: Veeco

Der Haupttechnologiefokus des Unternehmens liegt auf demselben CVD‑Verfahren, das für die Borophen‑Produktion verwendet wird, genauer gesagt MOCVD (Metall‑organische chemische Gasphasenabscheidung).

Quelle: Veeco

Als führendes Unternehmen in diesem Nischensegment der Halbleiterindustrie könnte Veeco ein guter Kandidat sein, auf den Aufstieg weiterer CVD‑Anwendungen zu setzen.

Ein solches Wachstum könnte aus der zunehmenden Nutzung von Graphen, Wolfram und Borophen resultieren, da wir immer besser darin werden, Materie auf atomarer Ebene zu manipulieren.

Es wird wahrscheinlich auch von den massiven Trends der Digitalisierung, KI und Elektrifizierung profitieren, unabhängig davon, ob es bald massiv 2D‑Materialien einsetzt oder nicht.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG ist ein Graphen‑Hersteller, der sein Produktangebot auf bereits bewährte Graphen‑basierte Produkte wie Wärmebeschichtungen und Schmierstoffe konzentriert hat.

Damit ist GMG eine gute Option für Investoren, die eine direkte Beteiligung am Graphen‑Markt suchen und ein Unternehmen, das bereits aktiv Graphen in Massenproduktion herstellt und das aktuelle Produktionsverfahren verbessert.

Quelle: GMG

Weitere Anwendungen könnten die Herstellung von Graphen‑Halbleitern sein (siehe „Graphen‑Halbleiter – Sind sie endlich da?“), oder sogar Supraleiter bei Raumtemperatur. Graphen‑Beschichtungen könnten zudem in Batterien und für Wasserstoff‑Druckbehältertechnologien eingesetzt werden.

Quelle: GMG

GMG produziert sein Graphen aus Methan + Wasserstoff, was sich von den meisten Wettbewerbern unterscheidet, die es aus natürlichen Graphitvorkommen herstellen. Das ermöglicht höhere Reinheit, bessere Skalierbarkeit und kostengünstige Produktion.

Das Unternehmen eröffnete 2023 seine erste Produktionsanlage in Australien, mit einer Jahreskapazität von bis zu 1 Million Litern Wärmeübertrager‑Beschichtung.

Der nächste Schritt für das Unternehmen wird seine Batterietechnologie auf Basis von Graphen‑Aluminium‑Ionen sein, mit einer Energiedichte von 290 Wh/kg, 60‑mal schnellerer Ladezeit als Lithium‑Ion‑Batterien, dreifacher Batterielebensdauer und einem besseren Brandrisikoprofil.

Quelle: GMG

Dieser Einstieg in den Batteriemarkt könnte für GMG ein großes Risiko darstellen, bietet dem Unternehmen jedoch auch eine einzigartige Perspektive auf den zukünftigen Markt, der sich für Graphen öffnen könnte, einschließlich im Bereich von Elektrofahrzeugen und anderen energiebezogenen Anwendungen.