Extrem festes Garn aus Graphenfasern

Hangzhou (China) – Reißfest, leitfähig und widerstandfähig gegen Chemikalien: Diese Eigenschaften vereint ein neuartiges Garn, das Forscher aus hauchdünnen Kohlenstoffschichten, Graphen genannt, hergestellt haben. Über ein relativ einfaches, nasschemisches Verfahren gelang es, Graphenfäden von einigen Metern Länge zu produzieren. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ berichten, könnten damit leichtere Drähte, stromleitende Textilien oder auch elektromagnetische Felder abschirmende Stoffe sowie biegsame Schaltkreise entwickelt werden.

Aufgespultes Kohlenstoffgarn

„Dieser neue Ansatz für Kohlenstofffasern beginnt mit Graphit, einem günstigen und gut verfügbaren Material“, erklärt Chao Gao vom Department of Polymer Science and Engineering an der Zhejiang University im chinesischen Hangzhou. Aus Graphit, das sich auch in Bleistiftminen befindet, trennten sie mit einem Lösungsmittel einzelne hauchdünne Flocken aus Graphenoxid ab. Dieses Gemisch leiteten sie durch eine feine Düse in wässrige Lösungen aus Kaliumhydroxid, Kupfersulfat oder Kalziumchlorid. Dabei lagerten sich die Graphenflocken zu einer kompakten Faser zusammen. Getrocknet und auf eine Rolle gespult, entstand so ein Graphenfaden von einigen Metern Länge und der Dicke von Nähgarn.

Mikrostruktur der Fasern

Besonders die Zusammenlagerung in der Kalziumchloridlösung zeigte sich als gut geeignet, um sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine große elektrische Leitfähigkeit zu erhalten. Verantwortlich dafür machten die Forscher die vernetzende Wirkung der Kalziumionen. Mit etwa 500 Megapascal Zugfestigkeit erreichte ihr Graphengarn eine Stabilität vergleichbar mit Stahl. Die elektrische Leitfähigkeit reicht mit gut 40.000 Siemens pro Meter zwar nicht an Metalle wie Kupfer heran, reicht jedoch für gute elektrische Kontakte vollkommen aus.

„Diese Fasern könnten für viele Zwecke von multifunktionalen Textilien, elektrische Felder abschirmende Kleidung oder chemisch resistenten Kabeln angewendet werden“, sagt Chao Gao. In weiteren Versuchen will er mit seiner Arbeitsgruppe vor allem die Zugfestigkeit noch weiter auf bis zu 10.000 Megapascal erhöhen. Damit stünde eine Faser zur Verfügung, die – zu dicken Seilen versponnen – schwere Stahlstreben ersetzen könnte. Wegen des geringen Eigengewichts wären damit leichtere Aufzugseile oder elegante, architektonische Konstruktionen möglich.