Der Akkordeon‑Effekt von Graphen stärkt die Zukunft der tragbaren Technologie

Erst vor etwa zwei Jahrzehnten wurde Graphen entdeckt. In so kurzer Zeit ist dieses „Wunder‑Material“ zu einem integralen Bestandteil der Elektronik‑ und Halbleitertechnologie, Energiespeicherung, thermischen Verwaltung, Materialwissenschaften und anderer Branchen geworden.

Seit Professoren Kostya Novoselov und Andre Geim von der Universität Manchester 2004 Graphen isolierten und charakterisierten, wofür sie 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten, bleibt das Material eines der spannendsten Forschungsfelder in der Elektronik.

Graphen ist ein zweidimensionales (2D) Material, das aus einem extrem dünnen Blatt besteht, das nur aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Es weist bemerkenswerte Eigenschaften auf, darunter sein geringes Gewicht, sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und starke mechanische Festigkeit.

Jetzt haben Forscher mithilfe einer einzigartigen Methode eine neue Eigenschaft von Graphen entdeckt.

Der Akkordeon‑Effekt: Graphen sehr dehnbar machen 

Unter der Leitung von Jani Kotakoski hat das Team von Physikern an der Universität Wien Graphen zum ersten Mal wesentlich dehnbarer gemacht, indem es ihn wie ein Akkordeon behandelt hat. Diese neue Eigenschaft wurde in einer sauberen und luftlosen Messumgebung aufgedeckt.

Die Wellen im Graphen machen ihn dehnbar und ebnen den Weg für seine Verwendung in Wearables, bei denen Materialien sich mit dem Körper biegen und bewegen müssen, während sie zuverlässig funktionieren.

Veröffentlicht in der Zeitschrift Physical Review Letters¹, wurde die Studie in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Wien durchgeführt und vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) finanziert.

Das Forscherteam führte Experimente durch, die tatsächlich klärten, dass die extreme Steifigkeit von Graphen auf die in einer Wabenstruktur angeordneten Atome zurückzuführen ist; das Entfernen einiger Atome zusammen mit ihren Bindungen verringert die Steifigkeit.

Wissenschaftliche Studien haben tatsächlich Widersprüche gemeldet; sowohl eine leichte Reduktion als auch eine signifikante Zunahme.

Die neueste Studie machte dies dank des Einsatzes fortschrittlicher Geräte, die dieselbe saubere und luftlose Umgebung teilten, sehr deutlich. Laut Katokoshi:

„Dieses einzigartige System, das wir an der Universität Wien entwickelt haben, ermöglicht es uns, 2D‑Materialien ohne Störungen zu untersuchen.“ 

Die saubere, luftlose Umgebung ermöglicht es, Proben zwischen den verschiedenen Geräten zu transportieren, ohne sie der Umgebungsluft auszusetzen.

„Zum ersten Mal wurde diese Art von Experiment mit vollständig vom Umgebungs‑Luft und den darin enthaltenen Fremdpartikeln isoliertem Graphen durchgeführt. Ohne diese Trennung würden diese Partikel schnell auf der Oberfläche absetzen und das Versuchsverfahren sowie die Messungen beeinflussen.“

– Der Erstautor der Studie, Wael Joudi

Dieser Fokus auf die Sauberkeit der Materialoberfläche führte tatsächlich zur Enthüllung des Akkordeon‑Effekts in Verbindung mit der Steifigkeit von Graphen.

Das Entfernen von zwei benachbarten Atomen verursacht bereits ein bemerkbares Aufwölben des ursprünglich flachen Materials. Mehrere dieser Aufwölbungen zusammen führen zu einer Wellung des Materials.

„Man kann es sich wie ein Akkordeon vorstellen. Wenn es auseinandergezogen wird, wird das gewellte Material nun abgeflacht, was viel weniger Kraft erfordert als das Dehnen des flachen Materials und es dadurch dehnbarer macht.“ 

– Joudi

Die Bildung von Wellen und die anschließende Dehnbarkeit wurden durch Simulationen bestätigt, die von Florian Libisch und Rika Saskia Windisch, theoretischen Physikern der Technischen Universität Wien, durchgeführt wurden.

Die Studie berichtete, dass die Widerstandsfähigkeit der Substanz gegen elastische Verformung von 286 auf 158 N/m gesunken ist. Der Rückgang ist „signifikant größer“ als nicht nur das, was die meisten Studien vorhersagen, sondern auch im Gegensatz zu einigen präsentierten Messungen, was auf die durch lokale Spannungen an Fehlstellen mit mindestens zwei fehlenden Atomen erzeugten Wellen zurückzuführen ist.

Die vom Team durchgeführten Experimente zeigten weiter, dass „der gegenteilige Effekt gemessen werden kann, wenn die Oberflächenkontamination nicht vor der Defekt‑Engineering entfernt wird.“

So unterdrücken Fremdpartikel auf der Materialoberfläche tatsächlich diesen Effekt und erzeugen sogar ein gegenteiliges Ergebnis. Insbesondere ließ der Einfluss dieser Partikel Graphen noch steifer erscheinen, was die Widersprüche früherer Experimente erklärt. Laut Joudi:

„Dies zeigt die Bedeutung der Messumgebung beim Umgang mit 2D‑Materialien. Die Ergebnisse eröffnen einen Weg, die Steifigkeit von Graphen zu regulieren und damit den Weg für potenzielle Anwendungen zu ebnen.“ 

Die Grenzen von Graphen mit bahnbrechenden Entdeckungen erweitern

Tragbare Technologie ist eine boomende Branche, die voraussichtlich vor Ende des Jahrzehnts über 150 Milliarden $ erreichen wird.

Ein Schlüsselbestandteil von Wearables wie Smartwatches, Ringen, Brillen, Armbändern, intelligenten Tattoos, Schmuck, Textilien, Verbänden, Gesichtsmasken und einem Echtzeit‑Glukose‑Regler sind Sensoren, die die Erkennung von Biomesswerten ermöglichen, Daten sammeln und sich dann an die Anforderungen des Körpers anpassen.

Die rasche Entwicklung flexibler, wahrnehmbarer elektrischer Geräte hat zu graphene‑basierten Wearable‑Sensoren geführt, die durch ihr großes Potenzial hervorstechen, Gesundheitsdienste zugänglicher zu machen und die Qualität von Messvorgängen zu verbessern.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitern, die starr sind und begrenzte optoelektronische Eigenschaften besitzen, und Metallen, die teuer, giftig sein können und bei mechanischer Belastung an Leistung verlieren, machen die inhärenten Eigenschaften von Graphen es besonders geeignet, kostengünstige und multifunktionale Wearables zu bauen.

Die neueste Studie hat uns die erstaunliche Fähigkeit des Materials in diesen Geräten gezeigt, dank der dramatischen Erhöhung seiner Dehnbarkeit. Doch das ist nicht das erste Mal; im Laufe der Jahre haben viele Studien die Rolle von Graphen in Wearables aus verschiedenen Gründen untersucht und zahlreiche neue Entdeckungen darüber gemacht.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, warum die Reinigung von Graphen den Weg für seine Kommerzialisierung ebnet.

Graphen‑basierter tragbarer Dehnungssensor 

Im vergangenen Jahr entwickelten Forscher einen² tragbaren Dehnungssensor aus Graphen, der stille Sprache erkennen und übertragen kann.

Der von Forschern der Universität Cambridge entwickelte „intelligente“ Halsreif erfasst Mikrobewegungen im Hals, die vom Dehnungssensor als elektrisches Signal aufgenommen und dann in Softwaremodelle zur Verarbeitung und Spracherkennung eingespeist werden. Er kann sogar still gemundete Wörter erfassen und übertragen.

Das Wearable besitzt eine besondere Struktur mit geordneten, feinen Rissen auf graphene‑beschichteten Textilien, was die Empfindlichkeit erheblich steigert. Die darüberliegende strukturierte Graphenschicht wurde auf einen integrierten textilen Dehnungssensor aufgebracht.

Das Fertigungsverfahren für die Technologie ist zudem einfach, skalierbar, kostengünstig und biokompatibel. Das Gerät ist für langfristige Nutzung geeignet und kann über 10.000 Dehn‑ und Entspannungszyklen überstehen, während es stabile und zuverlässige elektrische Funktionalität beibehält.

Durch die dynamische Reaktion auf Hals‑Mikrobewegungen kann es informationsreiche Sprachsignale erfassen, die über ein neuronales Netzwerk verarbeitet werden, mit einer Rekord‑Genauigkeit von 95,25 % bei der Sprachdekodierung. 

Das Gerät hat laut den Forschern das Potenzial, das Feld der stillen Sprachschnittstelle (SSI) neu zu definieren, das hochmoderne Lösungen zur Ermöglichung verbaler Kommunikation ohne Vokalisation beinhaltet.

Graphen mit Seide für flexible Elektronik kombinieren

In einer anderen Studie entwickelten Forscher des Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) eine einheitliche 2D‑Schicht von „Fibroinen“ bzw. Fragmenten von Seidenprotein auf Graphen.

Der Einsatz von Seidenprotein in Designer‑Elektronik ist nicht neu, ist jedoch begrenzt, da Seidenfasern ein unordentliches Gewirr von Strängen bilden. Daher die Zugabe von Graphen.

Silk‑auf‑Graphen könnte potenziell einen stark nachgefragten empfindlichen, einstellbaren Transistor für Gesundheits‑ und Wearable‑Sensoren schaffen. Es kann sogar als entscheidendes Element in „Memristoren“ dienen, die in neuronalen Netzen verwendet werden und Computern ermöglichen, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns zu imitieren.

Seide war bereits Gegenstand umfangreicher Forschung als Mittel zur Modulation elektronischer Signale, doch die Kontrolle zu erreichen ist nicht einfach. Daher kontrollierte das PNNL‑Team die Reaktionsbedingungen sorgfältig, indem es einzelne Seidenfasern präzise dem wässrigen System hinzufügte, das eine hochorganisierte 2D‑Schicht von Proteinen in parallelen β‑Faltblättern erzeugte.

Dies ist nur der erste Schritt bei der kontrollierten Seidenbeschichtung funktionaler elektronischer Bauteile, wobei zukünftige Forschung darauf abzielt, die Stabilität und Leitfähigkeit von seidenintegrierten Schaltkreisen zu verbessern.

Ein Graphen‑„Tattoo“‑Implantat zur Behandlung unregelmäßiger Herzschläge

Unterdessen entwickelten Forscher der University of Texas at Austin (UT) und der Northwestern University das erste kardiale Implantat aus Graphen zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen.

Solche Störungen treten auf, wenn das Herz entweder zu langsam oder zu schnell schlägt, und können in vielen Fällen zu Schlaganfall, Herzinsuffizienz und sogar plötzlichem Tod führen. Zur Behandlung von Arrhythmien verwenden Ärzte in der Regel implantierbare Herzschrittmacher, die unregelmäßige Herzschläge erkennen und mittels elektrischer Stimulation den Rhythmus korrigieren.

Diese Geräte benötigen harte, starre Materialien, die mechanisch nicht mit dem Körper kompatibel sind und daher schwer an der Oberfläche des Herzens zu befestigen sind. Sie können vorübergehende Beschwerden verursachen, weiches Gewebe verletzen, natürliche Bewegungen einschränken und Komplikationen hervorrufen.

Im Gegensatz dazu ist das neu entwickelte biokompatible Implantat ein Graphen‑„Tattoo“, das optisch einem temporären Tattoo ähnelt. Es ist dünner als ein einzelnes Haar, funktioniert jedoch wie ein klassischer Herzschrittmacher.

Das neue dünne Gerät schmiegt sich sanft an das Herz, um sowohl unregelmäßige Herzschläge zu erkennen als auch zu behandeln. Es ist flexibel genug, um sich den feinen Konturen des Herzens anzupassen, und stark genug, um die dynamischen Bewegungen eines schlagenden Herzens zu bewältigen.

„Aus Gründen der Biokompatibilität ist Graphen besonders attraktiv. Kohlenstoff ist die Basis des Lebens, daher ist es ein sicheres Material, das bereits in verschiedenen klinischen Anwendungen verwendet wird. Es ist zudem flexibel und weich, was als Schnittstelle zwischen Elektronik und einem weichen, mechanisch aktiven Organ gut funktioniert.“

– Senior‑Autor Igor Efimov

Um das Graphen‑Tattoo zu umhüllen und es an der Oberfläche eines schlagenden Herzens haften zu lassen, wurde das Graphen in einer silikongummierten Membran mit einem Loch zur Zugang zum Graphen‑Elektroden eingekapselt. Anschließend wurde ein 10‑Mikron‑dickes Goldband auf die Kapselschicht gelegt, um eine Verbindung zwischen dem Graphen und der externen Elektronik herzustellen, die zur Messung und Stimulation des Herzens verwendet wird.

Die resultierende Gesamtdicke des Geräts betrug etwa 100 µm, und es behielt über 60 Tage Stabilität bei, vergleichbar mit der Dauer temporärer Herzschrittmacher.

Um das Gerät zu testen, implantierten die Forscher es in eine Ratte und stellten fest, dass es unregelmäßige Herzrhythmen erfolgreich erkennen und anschließend elektrische Stimulation mittels einer Reihe von Impulsen liefern kann, ohne die natürlichen Bewegungen des Herzens zu beeinträchtigen. 

Bemerkenswert ist, dass die Technologie optisch transparent ist, was bedeutet, dass Forscher eine externe Lichtquelle nutzen können, um das Herz durch das Gerät zu messen und zu stimulieren. Dies bietet einen neuartigen Ansatz zur Identifizierung und Behandlung herzbezogener Erkrankungen und schafft neue Möglichkeiten für die Optogenetik.

Selbst unvollkommenes Graphen hat große Vorteile

Vor weniger als zwei Jahren entwickelten Forscher der Technischen Universität Wien tatsächlich ein Computermodell realistischer Graphenstrukturen, das zeigte, dass die hervorragenden elektronischen Eigenschaften von Graphen sehr stabil sind. Das bedeutet, dass selbst nicht ganz perfekte Graphenstücke für technologische Anwendungen genutzt werden können.

Der elektrische Stromfluss in Graphen wird auf atomarer Ebene in einem wirklich kleinen Stück davon berechnet. Professor Florian Libisch vom Institut für Theoretische Physik an der TU Wien erklärte damals, dass Elektronen mehrere verschiedene Wege haben, durch das Material zu wandern, und dass sie gleichzeitig mehrere Pfade nehmen können, die sich auf unterschiedliche Weise überlappen.

Die Pfade heben sich bei sehr spezifischen Energiewerten gegenseitig auf, bei denen die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen das Graphenstück durchqueren, extrem gering ist und der elektrische Strom minimal ist, was als „destruktive Interferenz“ bezeichnet wird.

Der dramatische Rückgang des Stromflusses bei sehr spezifischen Energiewerten ist „ein technologisch hoch erwünschter Effekt“, der zur Informationsverarbeitung im winzigen Maßstab genutzt werden kann, ähnlich wie elektronische Bauteile in Computerchips, und für die Entwicklung neuartiger Quantensensoren.

Es ist jedoch nicht so einfach, da Größe und Form des Graphenstücks nicht immer gleich sind. Andere Faktoren wie unerwünschte Atome, wackelige Atome und zahlreiche Wechselwirkungen zwischen mehreren Elektronen, die sehr schwer zu berechnen sind, müssen berücksichtigt werden, um „das Material Graphen wirklich realistisch zu beschreiben.“

Daher kombinierten die Forscher ihre jahrelange Erfahrung in der genauen Beschreibung verschiedener Effekte in Materialien in Computermodellen, um ein umfassendes Modell zu entwickeln, das alle relevanten Fehlquellen und Störeffekte, die in Graphen existieren, einschließt. Damit konnten sie zeigen, dass die gewünschten Effekte sogar bei Vorhandensein von Fehlquellen sichtbar sind. 

Die Studie war wichtig, um das Potenzial der kontrollierten Nutzung von Quanteneffekten in Graphen zu demonstrieren.

Graphen in winzige Magnete verwandeln

Inmitten all dessen fügten deutsche Experten einen weiteren Aspekt zu den vielfältigen Eigenschaften von Graphen hinzu, der das Potenzial des Materials in magnetischen Schaltern und Speichergeräten zeigte.

Forscher der Universität Duisburg‑Essen (UDE) führten Experimente am Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR) durch, bei denen sie kurze Terahertz‑(THz‑)Impulse auf winzige Scheiben des Materials richteten, die dadurch für sehr kurze Zeit zu sehr starken Magneten wurden. Diese Entdeckung könnte für die Entwicklung zukünftiger magnetischer Schalter und Speichergeräte nützlich sein.

Die Wissenschaftler nutzten hier bestehende Halbleitermethoden, um Tausende von Graphenscheiben in Mikrometergröße (μm) auf einem kleinen Chip zu platzieren, der anschließend kurzen Terahertz‑Impulsen ausgesetzt wurde, einer Strahlungsart, die zwischen Mikrowelle und Infrarot liegt.

Als Lichtquelle nutzten sie einen FELBE‑Freie‑Elektronen‑Laser am HZDR, der ultraintensive Terahertz‑Impulse erzeugen kann.

Neben den mikrometer‑großen Graphenscheiben, die zu Elektromagneten wurden, erzeugte das Team sogar Magnetfelder im Bereich von 0,5 Tesla, etwa 10.000‑mal stärker als das Magnetfeld der Erde, die jedoch nur zehn Pikosekunden, also ein Hundertstel einer Milliardstel Sekunde, anhielten.

Um diesen Erfolg zu erzielen, mussten die Forscher die Terahertz‑Impulse jedoch auf eine bestimmte Weise polarisieren. Hierbei änderten spezialisierte Optiken die Richtung der Strahlungsoszillation, sodass sie spiralförmig durch den Raum verlief.

Wenn die kreisförmig polarisierten Impulse die winzigen Scheiben treffen, beginnen die freien Elektronen darin zu kreisen, wodurch die Scheiben im Grunde zu winzigen Elektromagneten werden.

Der einfache und hocheffiziente Prozess könnte laut den Forschern für wissenschaftliche Experimente genutzt werden, um ein detaillierteres Verständnis der Materialeigenschaften zu erlangen. Bemerkenswert ist, dass das Magnetfeld unipolar blieb, was es für bestimmte Experimente vorteilhaft macht.

In Zukunft könnten diese winzigen Magnete sogar in der magnetischen Speichertechnologie und Spintronik Anwendung finden.

In Graphen investieren

Ein Unternehmen, das im Graphen‑Sektor herausragt, ist CVD Equipment Corporation (CVV ). Das Unternehmen entwickelt und fertigt Systeme für die chemische Gasphasenabscheidung, eine Schlüsseltechnik zur Herstellung von hochwertigem Graphen. Und da Branchen weiterhin reale Anwendungen für Graphen erforschen, insbesondere in Elektronik und Materialwissenschaft, könnte CVDs Nischenfokus ihm einen strategischen Vorteil verschaffen, wenn die Nachfrage steigt.

CVD Equipment Corporation (CVV )

Das in den USA ansässige CVD Equipment entwickelt chemische Gasphasenabscheidungs‑ (CVD‑)Systeme, die zur Herstellung fortschrittlicher Materialien wie Graphen sowie Beschichtungen für Energie, Luft‑ und Raumfahrt und andere Branchen verwendet werden.

Es bietet zudem Graphen‑F&E und spezialisierte Produktionsausrüstung, um Graphen in hoher Qualität im großen Maßstab zu produzieren.

Das Unternehmen operiert in zwei Segmenten. Das erste ist CVD Equipment, das physikalische Dampftransport‑, chemische Gasphasenabscheidungs‑ und thermische Prozessausrüstung entwirft und herstellt. Das zweite ist Stainless Design Concepts (SDC), das sich auf ultra‑hochreine Gas‑ und Chemikalien‑Zulaufsysteme konzentriert.

Bezüglich der Marktentwicklung von CVD-Aktien liegt der Kurs zum Zeitpunkt dieses Schreibens bei 2,84 $, ein Rückgang von 34 % im Jahresverlauf. Damit hat das Unternehmen eine Marktkapitalisierung von 20 Millionen $ erreicht, bei einem EPS (TTM) von -0,28 und einem KGV (TTM) von -10,43.

Was die Unternehmensfinanzen betrifft, meldete CVD für das Gesamtjahr 2024 einen Umsatz von 26,9 Millionen $, ein Anstieg von 11,5 % gegenüber dem Vorjahr. Dieser wurde hauptsächlich durch steigende Einnahmen aus laufenden Luft‑ und Raumfahrtverträgen, dem SDC‑Segment und den 0,8 Millionen $ Endverkäufen des MesoScribe‑Segments, das im letzten Jahr seine Aktivitäten einstellte, getrieben.

Die Bruttogewinnmarge von CVD Equipment sprang 2024 um 2,6 % auf 23,6 % an. Der Betriebsverlust für den Zeitraum betrug 2,4 Millionen $, und der Nettoverlust lag bei 1,9 Millionen $, bzw. 0,28 $ pro einfacher und verwässerter Aktie.

Im vergangenen Jahr verzeichnete das Unternehmen zudem einen Anstieg der Auftragsbuchungen um 8,9 % auf 28,1 Millionen $, während das Auftragsbestand am Jahresende 19,4 Millionen $ betrug.

„Im Jahr 2024 sehen wir weiterhin eine anhaltende Erholung unseres Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsmarktes“, sagte CEO Manny Lakios und bemerkte, dass der Siliziumkarbid‑Markt „herausfordernd bleibt aufgrund von Überkapazitäten und dem globalen Rückgang der Wafer‑Preise“.

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Fazit

Graphen, bekannt für sein geringes Gewicht, seine Flexibilität, Zähigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit, wurde umfangreich erforscht und in den Bereichen Energie, Elektronik und Gesundheit eingesetzt.

Wie oben erwähnt, erweitern mehrere spannende Entwicklungen, wie stille Sprach‑Halsreife und herzüberwachende Tattoos, ständig die Welt des Graphens. Jetzt fügt die neueste Entdeckung des Akkordeon‑Effekts in Graphen eine weitere Eigenschaft hinzu: verbesserte Dehnbarkeit, die die Kompatibilität des Wunder‑Materials mit Wearables zeigt.

In Kombination mit seinen überlegenen elektrischen, mechanischen und biokompatiblen Eigenschaften ist Graphen ein äußerst vielversprechendes Material, um die nächste Generation intelligenter Wearables zu betreiben!

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Referenzierte Studien:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Durch Wellenformen dominierte mechanische Erweichung von defekt‑engineertem Graphen. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Ultrasensible Textil‑Dehnungssensoren definieren tragbare stille Sprachschnittstellen mit hoher Machine‑Learning‑Effizienz neu. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1