Zweidimensionale Materialien galten bisher als spröde und brüchig. Ein internationales Forschungsteam hat nun eine neue Methode zur Herstellung von Folien entwickelt, die mehr als 1000 Mal dünner als ein Blatt Papier sind, aber gleichzeitig höchst stabil und flexibel sind. An der Forschung waren die Physiker Professor Dr. Armin Gölzhäuser und Jakob Kreie von der Universität Bielefeld beteiligt. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Nature“ erschienen.
Die Forschenden erzeugten die Folien aus neuartigen Molekülverbindungen – den kovalenten organischen Netzwerken (COFs). Das Material könnte in Zukunft die Grundlage für biegbare Elektronik bilden, wie etwa faltbare Smartphones oder tragbare medizinische Sensoren.
© Universität Bielefeld
Flexiblität der Folien durch innovative Herstellungsmethode
Die nur 44 Nanometer dünnen Folien weisen eine außergewöhnliche Kombination aus Festigkeit und Elastizität auf. Sie sind ähnlich stabil wie Aluminium, das in Flugzeugen verwendet wird. Gleichzeitig sind sie hochelastisch. Anders als herkömmliche dünne Materialien lassen sie sich aber stark verformen, ohne zu brechen.
Der Clou liegt in der neuartigen Herstellungsmethode: Die Forscher verwenden spezielle Moleküle als Helfer, um winzige Kristalle zu einem Netzwerk zu verbinden. Diese Verbindungen sorgen dafür, dass das Material biegsam bleibt, ohne an Festigkeit zu verlieren.
Einsatzmöglichkeiten von Elektronik bis Medizin
Das Forschungsteam sieht viele mögliche Anwendungen für ihr Supermaterial, zum Beispiel:
- in der Elektronik: für biegbare Bildschirme oder faltbare Computer und Smartphones
- als Filter: zum Reinigen von Wasser oder zur Trennung von Gasen
- in der Medizin: für hautfreundliche, kaum spürbare Sensoren
Die Studie wurde von Professor Dr. Zhikun Zheng geleitet. Er forscht an der der Sun-Yat-sen-Universität und der Guangdong University of Technology in China. Zheng und sein Team entwickelten die neue Synthesemethode und stellten die 2D-Materialien her. Die mechanischen Messungen und Analysen übernahmen Professor Dr. Armin Gölzhäuser und Jakob Kreie von der Universität Bielefeld. Professorin Dr. Ute Kaiser und ihr Team von der Universität Ulm untersuchten die Struktur der Materialien auf nahezu atomarer Ebene mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie. Die Gruppe von Professor Dr. Stefan C. B. Mannsfeld an der Technischen Universität Dresden beobachtete den Polymerisations- und Kristallisationsprozess der 2D-COFs mithilfe von Röntgenstreuung.
Die Zusammenarbeit von Zhikun Zheng mit der Universität Bielefeld besteht seit mehr als 15 Jahren. 2008 war der Forscher als Postdoktorand für zwei Jahre in der Arbeitsgruppe von Armin Gölzhäuser tätig.
Veröffentlicht in „Nature“
Erschienen ist die Studie in der Fachzeitschrift „Nature“, der weltweit führenden multidisziplinäre Wissenschaftszeitschrift. Laut dem Datendienstleister Clarivate liegt Nature auf Platz 1 von 134 Zeitschriften in der Kategorie „Multidisziplinäre Naturwissenschaften“, mit einem Impact-Faktor von 50,5 (2023).
Yonghang Yang, Baokun Liang, Jakob Kreie, Mike Hambsch, Zihao Liang, Cheng Wang, Senhe Huang, Xin Dong, Li Gong, Chaolun Liang, Dongyang Lou, Zhipeng Zhou, Jiaxing Lu, Yang Yang, Xiaodong Zhuang, Haoyuan Qi, Ute Kaiser, Stefan C. B. Mannsfeld, Wei Liu, Armin Gölzhäuser & Zhikun Zheng: Elastic films of single-crystal two-dimensional covalent organic frameworks. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-024-07505-x, online veröffentlicht am 8. May 2024, in Print am 27. Juni 2024 erschienen.
