Wie Graphen zu Nachhaltigkeit beiträgt

Technologien, die die Einführung der neuen Mobilfunkgeneration 6G beschleunigen, den Bau bezahlbarer dekarbonisierter Häuser, ein schnelleres Laden von Elektrofahrzeugbatterien und die Herstellung wärmereduzierender Schutzkleidung vorantreiben – das sind nur einige der unzähligen Innovationen, die durch Graphen möglich sind.

Als Graphen vor mehr als 20 Jahren erstmals isoliert wurde, wurde es aufgrund seiner außergewöhnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften als „Wundermaterial“ gefeiert. Graphen-Forschung und -Märkte haben sich inzwischen deutlich weiterentwickelt und auch die Verfahren für die großtechnische Herstellung wurden verbessert.

James Baker, CEO des Graphene Engineering Innovation Centre (GEIC) der Universität Manchester, sagt: „Ich glaube, dass wir gerade mit dem Mythos aufräumen, dass Graphen nur etwas für ausgewählte Hightech-Bereiche wir die Formel 1 oder die Luft- und Raumfahrt ist. Wir bauen Häuser aus Kunststoffabfällen. Unternehmen bauen mit Beton, dem Graphen beigemischt ist.“

Der globale Markt für Graphen wird auf etwa 150 Mio. US-Dollar pro Jahr geschätzt und soll bis 2034 auf 1,6 Mrd. US-Dollar steigen. Analyst*innen von IDTechEx merken jedoch an, dass die Branche noch eine „Schlüsselanwendung“ benötige, um volle Marktreife zu erlangen.

Die Entwicklung internationaler Normen, Klassifizierungen und Messverfahren könnte dazu beitragen, dass Graphen und andere zweidimensionale (2D) Materialien schneller ein breites Anwendungsspektrum finden. Die komplexe Herstellung von Graphen in höchster Qualität zusammen mit umfangreichen Tests und der Genehmigung durch die entsprechenden Behörden ist notwendig, um mögliche Anwendungen, wie etwa Nanokomposite in Flugzeugtragflächen, faltbaren Fernsehern und sog. Brain Interfaces zur Krebserkennung oder zur Stimulation der neuronalen Netzwerke von Personen mit Parkinson, zu unterstützen.

Wissenschaftler*innen hatten über Jahrzehnte theoretische Überlegungen zu aus einer einzigen Lage bestehenden Kohlenstoffatomen, Graphen genannt, angestellt, bevor dieses schließlich im Jahr 2004 isoliert wurde. Aufeinander gestapelt bilden die nur eine Atomlage dünnen Schichten das Mineral Graphit. Physiker der Universität Manchester haben den Nobelpreis für die erfolgreiche Extrahierung einer 2D-Schicht aus Graphit (durch Zufall, unter Verwendung von ganz normalem Klebeband) und die Bestimmung ihrer Eigenschaften erhalten.

Eine dieser Eigenschaften ist das außergewöhnliche Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, was Flugzeug- und Automobilhersteller dazu veranlasst hat, ihr Potenzial zu erforschen. Eine einzelne Graphenschicht hat etwa den Durchmesser eines Sandkorns, ist aber 200-mal fester als Stahl. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist 70 Prozent höher als die von Kupfer; die Wärmeleitfähigkeit beträgt bei Raumtemperatur zwischen 3000 und 5000 W/mK (Watt pro Meter Kelvin). Graphen ist zudem säurebeständig sowie flexibel und sehr leicht. Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft ist die einheitliche Absorption von Licht über das im sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Spektrums.

Ein vereinfachtes Bild, um die Festigkeit der Verbindung zu veranschaulichen, ist ein Elefant, der auf einem Bleistift steht und eine nur eine Atomlage dünne Schicht Graphen nicht brechen kann. Baker zufolge offenbart dieses Bild allerdings auch einen weitverbreiteten Irrglauben. „Technisch gesehen besitzt eine nur aus einer einzigen Atomlage bestehende Schicht die optimalen Eigenschaften, aber Tatsache ist, dass es extrem schwierig ist, eine einzelne perfekte Schicht herzustellen. Außerdem liefert Graphen, das aus fünf oder zehn oder mehr Schichten besteht, bei manchen Anwendungen eine bessere Leistung als eine einzelne Schicht. Am besten lässt es sich mit einem Stapel Karten vergleichen, von dem man eine Schicht nach der anderen wegnimmt, um die Form von Graphen zu erhalten, die man braucht.“

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Es gibt grundsätzlich zwei Verfahren, um Graphen zu isolieren. Es gibt zum einen industrielle Versionen des Top-down-Ansatzes, wie ihn die Nobelpreisträger angewandt haben. Hierbei werden Graphenschichten mechanisch Schicht für Schicht von Graphit abgeblättert.

Und zum anderen gibt es den Bottom-up-Ansatz. Bei diesem Verfahren, das unter dem Begriff chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bekannt ist, wird ein kohlenstoffhaltiges Gas (wie Methan, CO2 oder Acetylen/C2H2) erwärmt, worauf sich die Kohlenstoffatome als dünne Schicht auf einem Substrat, wie Kupferfolie, anlagern. Um Anforderungen an die Nachhaltigkeit gerecht zu werden, wurden jüngst Verfahren zur synthetischen Gewinnung von Graphen aus Kohlenstoffmaterialien in Kunststoffabfällen entwickelt. Wird Graphen aus Abfall hergestellt, fügt sich der Prozess in die Kreislaufwirtschaft ein.

„Es gibt nicht die eine Form von Graphen”, erklärt Baker. „Graphen, das aus einer Schicht besteht, unterscheidet sich von Graphen aus zwei oder fünf oder zehn Schichten. Jedes mechanische Verfahren ergibt eine andere Form von Graphen mit anderen Eigenschaften.“ In letzter Zeit haben andere 2D-Materialien, die eine ähnliche Struktur wie Graphen aufweisen, ebenfalls vielversprechende physikalische und chemische Eigenschaften gezeigt, darunter einschichtige bzw. aus wenigen Schichten bestehende Versionen von hexagonalem Bornitrid (hBN), Molybdändisulfid (MoS2), Wolframdiselenid (WSe2), Silicen und Germanen. Diese Nanomaterialien können mittels CVD hergestellt und zu verschiedenen Verbindungen zusammengefügt werden, um im Bau, im Elektronikbereich oder für biomedizinische Anwendungen bei der Behandlung von Krebs, bei Wundverbänden oder der Arzneimittelversorgung eingesetzt zu werden.

Anwendungen für Graphen in der Biomedizin und als Ersatz für Silikon in Halbleitern verlangen hochwertige (wenige oder nur eine Schicht) Lagen mit so wenig Rissen bzw. Verformungen in der atomaren Struktur wie möglich. Da sich das als schwieriger herzustellen erwiesen hat, bewegen wir uns aktuell bei der kommerziellen Nutzung von Graphen in der Regel eher im Bereich von 10 Lagen und mehr, sog. Nanoplättchen bzw. Graphen-Flocken. Baker sagt: „Beim Mischen zu Verbundwerkstoffen wie Beton oder Gummi (für Reifen) besteht das ideale Graphen aus mehreren Lagen, da dessen Eigenschaften besser für Anwendungen mit einer größeren Oberfläche geeignet sind.“

Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von Graphen in Flaschen, in der Verpackung, bei Schuhen, im Bereich Wearables und bei Antikorrosionsbeschichtungen. „Es gibt 5 Millionen Autos von Ford auf der Straße, in deren Motorraum Graphen-Schaum zum Einsatz kommt“, erzählt Baker. „Huawei hat 30 Millionen Mobiltelefone verkauft, die im Inneren eine Graphenschicht zur Wärmeregulierung enthalten. Hierbei handelt es sich um relativ einfache Erweiterungen zu bestehenden Anwendungen und Geräten auf dem Markt, die nicht viele neue Regelungen erfordern.“

Ein Kilo Graphen-Nanoplättchen (in Pulverform) kostet 50 bis 200 US-Dollar pro Kilogramm. „Man braucht nur eine sehr geringe Menge davon“, erklärt Baker. „In einem Polymer, dem Nanoplättchen beigefügt werden, um die Festigkeit zu verbessern, braucht man nur 0,1 Prozent hinzufügen, was nur wenige Cent kostet, um eine Verbesserung um 30 Prozent zu erreichen. Wird weniger Polymer bei der Herstellung verwendet, reduzieren sich die Gesamtkosten.“ Außerdem ist es nachhaltiger, eine geringere Menge an Polymeren zu nutzen, da es sich hierbei um petrochemische Stoffe, also Nebenprodukte der Ölindustrie, handelt.

Es gibt Unternehmen, die 10 bis 100 Tonnen jährlich herstellen, wodurch die Preise sinken. Baker geht davon aus, dass die Kosten für die Herstellung von Graphen auf 5 US-Dollar pro Kilo sinken werden. „Der Preis ist noch nicht da, wo er sein müsste, um eine breite Anwendung zu erreichen, aber er ist auch kein Hindernis für eine Verwendung in großem Maßstab. Der Markt hat sich entwickelt, ging es anfangs darum, Graphen aus einer einzigen perfekten Lage herzustellen, geht es inzwischen um die Bestimmung des richtigen Graphens für die richtige Anwendung in der richtigen Qualität und zum richtigen Preis“, fügt Baker hinzu. „Aus wirtschaftlicher und industrieller Sicht braucht man das Graphen, das für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist.“

Einige Unternehmen arbeiten an der Herstellung höherwertigen Graphens aus weniger Schichten, das in elektronischen Transistoren und Sensoren verwendet werden kann. Das ist nicht nur schwieriger herzustellen, sondern Anwendungen in sensiblen Bereichen wie der Biomedizin und Luftfahrt erfordern auch umfangreichere Tests und vermutlich Änderungen bestehender Vorschriften.

Circular Economy – Normung als Rückgrat einer nachhaltigen gesamtwirtschaftlichen Produktion

Die Circular Economy (Kreislaufwirtschaft) ist das Gegenmodell zur Linearwirtschaft, die seit Beginn der Industrialisierung die weltweiten Wirtschaftsmodelle dominiert hat. Ziel dieser Circular Economy ist eine Erhöhung der Ressourceneffizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette, insbesondere mit Blick auf die endlichen Ressourcen des Planeten.

Normen und Standards helfen dabei, dieses Ziel schon bei der Produktion zu berücksichtigen.

Normen und Vorschriften sind unerlässlich, wenn Graphen und andere zweidimensionale (2D) Werkstoffe eine breite Anwendung finden sollen. Die technische Spezifikation ISO/TS 80004-13 beschreibt Graphen (Graphenschicht, Graphen aus einer Atomschicht bzw. nur eine Atomlage dünnes Graphen) als eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, wobei jedes Atom mit drei Nachbaratomen in einer Bienenwabenstruktur verbunden ist. Das unterscheidet sie von Graphenschichten mit 2 bis 10 Lagen. Es gibt verschiedene Klassifizierungen für Schichten mit mehr als 10 Lagen, die gängigsten sind Nanoplättchen.

Die technischen Spezifikationen IEC TS 62607, die unter dem Titel „Nanomanufacturing – Key control characteristics“ veröffentlicht wurden, enthalten Normen zu Graphen, die für elektrotechnische Produkte und Anlagen relevant sind. Der IEC zufolge wird die Anzahl an Schichten meist mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Lichtdurchlässigkeit, Raman-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder Ellipsometrie ermittelt.

„Jedes analytische Verfahren kommt in Bezug auf die präzise Messung der Anzahl Graphenschichten an gewisse Grenzen und kann auch zu Unklarheit hinsichtlich der Bereitstellung verlässlicher Informationen führen. Aus diesem Grund braucht es ein einfaches, schnelles und zuverlässiges Verfahren zum Zählen der Graphenschichten.“ IEC TS 62607-6-2 beschreibt ein kombiniertes Verfahren zur Bestimmung der genauen Anzahl von Graphenschichten, darunter ein Messverfahren.

Das britische National Physical Laboratory (NPL) hat zusammen mit dem National Graphene Institute (NGI) der Universität Manchester einen Leitfaden erstellt, der die strukturellen Eigenschaften von Graphen als Grundlage für künftige Normen in diesem Bereich beschreibt. Darin heißt es, das Ziel sei, dass „die Graphen-Community einen gemeinsamen, messtechnischen Ansatz verfolgen kann, der den Vergleich realer Graphen-Proben ermöglicht“.

Es handelt sich hierbei um laufende Arbeiten, die aber unerlässlich sind, damit Graphen eine breitere Anwendung findet und zu dem bahnbrechenden Material wird, das es zu sein verspricht, insbesondere im Hinblick auf nachhaltige Anwendungen.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel von Adrian Pennington erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 03/2025 unter:
https://etech.iec.ch/issue/2025-03/on-the-path-to-sustainability-with-graphene

Inhaltliche Beschreibungen, Darstellungen und Meinungen in diesem IEC-Text können von denen der DKE abweichen.

Components & Technologies konzentriert sich auf Bauteile, Komponenten und Materialien, die in unterschiedlichsten Endprodukten verbaut werden und dort zur Anwendung kommen. Qualität und Eigenschaften der fertigen Produkte werden durch die eingesetzten Komponenten und Materialien entscheidend beeinflusst. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im