(Grafik von Visual Capitalist veröffentlicht am 15. Dezember 2021)
Graphen: Das Wundermaterial der Zukunft
Es gibt ein neues Wundermaterial in der Stadt und es heißt Graphen. Seit seiner ersten erfolgreichen Isolierung im Jahr 2004 wurde Graphen mit seiner wabenartigen 2D-Struktur und seiner breiten Palette interessanter Eigenschaften von Materialwissenschaftlern intensiv untersucht.
Dieses natürlich transparente, 1 Millimeter dicke Gitter aus Kohlenstoffatomen hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und könnte eines Tages möglicherweise sogar die weltweite Wasserkrise lösen.
Das Vertrauen in das Material ist so stark, dass sein Marktwert nach Prognosen von Fortune Business Insights im Jahr 2027 2,8 Milliarden US-Dollar betragen wird.
Diese Infografik führt ein in die faszinierende Welt von Graphen, einschließlich seiner Eigenschaften, Anwendungen, Geschichte und Produktion.
Was ist Graphen?
Es handelt sich um eine einzelne Schicht (Monoschicht) aus Kohlenstoffatomen, die fest in einem sechseckigen Wabengitter gebunden sind. Es ist der Baustein von Graphit, der aus mehreren übereinander liegenden Schichten dieser einschichtigen Kohlenstoffatome besteht.
Hier ist eine kurze Aufschlüsselung seiner Eigenschaften: Es ist das leichteste Material, das der Mensch kennt: 1 Quadratmeter wiegt nur 0,77 Milligramm. Trotz seines geringen Gewichts ist es immer noch 200-mal stärker als Stahl. Es ist einer der stärksten Wärme- und Stromleiter. Es weist außerdem eine gleichmäßige Lichtabsorption im gesamten sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Spektrums auf.
Da es sich bei Graphen um ein Material auf reiner Kohlenstoffbasis handelt, ist es möglicherweise eine nachhaltige Lösung für eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Anwendungen.
Bedeutung des Materials in zukünftigen Anwendungen
Die Zukunft von Wissenschaft und Technologie ist grenzenlos, und Graphen kann dazu beitragen, diese Zukunft schneller zu verwirklichen, als wir erwarten.
Hier sind einige tiefgreifende Erfindungen, die in naher Zukunft geschehen können:
Kraftstoff aus Luft
Ein Team britischer Forscher unter der Leitung des Nobelpreisträgers Andre Geim hat gezeigt, dass Graphen als Protonenaustauschmembran in Brennstoffzellen verwendet werden kann.
Der Fund überraschte alle, da niemand erwartet hatte, dass die Membranen Protonen durch ihre dichte, ein Atom dicke Sechseckstruktur passieren lassen würden. Darüber hinaus könnten Graphenmembranen verwendet werden, um Wasserstoffgas aus der Atmosphäre zu filtern, sodass mobile Brennstoffzellen ausschließlich mit Luft betrieben werden könnten.
Mehr Trinkwasser
Graphen könnte zur Lösung der weltweiten Wasserkrise beitragen. Membranen aus Graphen können groß genug sein, um Wasser durchzulassen, aber klein genug, um das Salz herauszufiltern. Mit anderen Worten: Diese Membranen könnten die Entsalzungstechnologie revolutionieren.
Tatsächlich hat sich eine Art Graphen bei der Wasserfiltration als so wirksam erwiesen, dass Wasserproben aus dem Hafen von Sydney bereits nach einmaligem Durchlaufen des Filters trinkbar waren.
Die australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) nutzte „Grapair“, um Meerwasser nach einer einzigen Behandlung trinkbar zu machen.
Eine Welt ohne Rost
Da es praktisch undurchlässig ist, könnte eine Schicht Farbe auf Graphenbasis eines Tages dazu verwendet werden, Korrosion und Rost zu beseitigen. Dies ist äußerst wichtig, da die geschätzten globalen Korrosionskosten jährlich 2,5 Billionen US-Dollar betragen.
Forscher haben außerdem empfohlen, mit Graphenfarbe bedeckte Glasgefäße oder Kupferplatten als Behälter für stark ätzende Säuren zu verwenden.
Kunstwerke vor dem Verblassen schützen
Graphen bietet mehrere Materialvorteile: Es kann in großen, dünnen Schichten hergestellt werden; es blockiert ultraviolettes Licht; und es ist undurchlässig für Sauerstoff, Feuchtigkeit und andere korrosive Stoffe.
Forscher gehen davon aus, dass es, wenn es über ein Kunstwerk geschichtet wird, ein irreversibles Verblassen der Farbe aufgrund von Lichteinwirkung und Oxidationsmitteln (wie Luft) verhindern kann. Ihre Ergebnisse zeigten, dass eine einzige Schutzschicht das Ausbleichen der Farbe um bis zu 70 % verhindern konnte.
Warum hat sich das Wundermaterial nicht durchgesetzt?
Es muss noch viel Arbeit geleistet werden, bevor das Material flächendeckend angenommen werden kann. Bevor sich fortgeschrittenere Sektoren für die Umsetzung entscheiden, müssen mehrere Produktionsprobleme angegangen werden.
Eine aktuelle Herausforderung der Massenproduktion ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Obwohl es die beste Methode zur Herstellung von einschichtigem Graphen ist, ist es hinsichtlich der Skalierung nicht ideal.
Diese Herausforderungen machen die Massenproduktion auch zu einer kostspieligen Angelegenheit. Die Herstellung eines einzigen Gramms Graphen kostet etwa 100 US-Dollar. Selbst dann führen die zur Massenproduktion von Graphen verwendeten Methoden zu minderwertigen Produkten und setzen Kohlenstoff in die Umwelt frei.
Lösung des Graphen-Produktionsproblems
Um diese Probleme zu lösen, hat HydroGraph ein Verfahren zur Massenproduktion von Graphenpulver entwickelt. Es ist umweltschonend und hocheffizient.