2D-Materialien sind einer der wichtigsten Trends innerhalb der Materialwissenschaft. Hierbei handelt es sich um Materialien, die lediglich aus einer einzigen Atomschicht bestehen. Sie weisen häufig vollkommen andere Eigenschaften auf als dickere Schichten derselben Atome.
Obwohl sich einzelne Wissenschaftler schon vor mehr als hundert Jahren mit der Existenz zweidimensionaler Materialien befasst haben, ist die eigentliche Entstehung der Forschungsrichtung in der Darstellung der einlagigen Kohlenstoffschicht namens Graphen durch die Physiker Konstantin Novoselov und Andre Geim zu sehen. 2010 erhielten sie hierfür den Nobelpreis für Physik.
MXene als aussichtsreiche Vertreter der 2D-Materialien
Heutzutage werden unter anderem große Anstrengungen unternommen, eine Klasse von 2D-Materialien zu erforschen, die man MXene (Aussprache: „MaXene“) nennt. Sie besitzt verblüffende Eigenschaften und besteht hauptsächlich aus Titan und Kohlenstoff. MXene lassen sich für die Abschirmung elektromagnetischer Wellen für die Speicherung von Energie oder für neuartige Sensoren verwenden kann.
Auch die TU Wien forscht – gemeinsam mit den Firmen CEST und AC2T – an dem Nanomaterial, das für Batterietechnologie eingesetzt wird. An der TU Wien stellte man zudem fest, dass MXene sich besonders gut als Festkörper-Schmiermittel eignen. Sogar unter extremen Bedingungen, wie sie in der Weltraumtechnik vorkommen. Die bisherige Herstellung der MXene galt allerdings als gefährlich und giftig. Doch nun hat man an der TU Wien neue Wege gefunden.
MXene ohne Gift herstellen
„Um MXene herzustellen, braucht man zunächst sogenannte MAX-Phasen. Das sind Materialien, die beispielsweise aus Schichten von Aluminium, Titan und Kohlenstoff bestehen können“, erklärt Pierluigi Bilotto von der Tribologie-Forschungsgruppe am Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der TU Wien. „Bisher verwendete man Flusssäure, um das Aluminium herauszuätzen, dadurch bekam man dann ein System atomar dünner Schichten, die sich mit sehr wenig Widerstand gegeneinander verschieben können. Das macht diese MXene zu einem tollen Schmiermittel.“
Flusssäure ist jedoch giftig und umweltschädlich und es gibt strenge Vorschriften für den Umgang mit dieser Chemikalie. Man benötigt spezielle, teure Laboreinrichtungen und bekommt Abfallprodukte, die aufwändig entsorgt werden müssen. „Das war der Grund, warum MXene in der Industrie bisher noch nicht den großen Durchbruch feiern konnten“, sagt Pierluigi Bilotto.
Herstellung in jeder Küche möglich?
Erfolgreich machte sich Pierluigi Bilotto zusammen mit Prof. Carsten Gachot und Prof. Markus Valtiner (TU Wien), Markus Ostermann von CEST in Wiener Neustadt, Marko Pjlievic von AC2T und anderen auf die Suche nach einer besseren Methode.
„Die Elektrochemie bietet eine alternative Möglichkeit, die Aluminium-Verbindungen in der MAX-Phase aufzubrechen“, so Bilotto. „Indem wir die Spannung genau richtig einstellen, können wir die Reaktionen so anpassen, dass nur Aluminiumatome entfernt werden, sodass elektrochemische MXene als Endprodukt übrig bleiben.“
Das gewonnene Produkt wurde aufwändig analysiert. Seine Eigenschaften seien mindestens so gut wie die von MXenen, die bisher mit Einsatz von Flusssäure hergestellt wurden, heißt es. „Mein Ziel ist, dass die Herstellung von MXenen extrem einfach wird. Es sollte in jeder Küche möglich sein“, sagt Pierluigi Bilotto. „Und wir sind sehr nahe dran.“
Weitere Informationen:
Technische Universität Wien
www.tuwien.ac.at
