Kohlenstoff: Graphen bekommt Risse

Graphen gilt als sehr stabiles Wundermaterial. Forscher aus den USA haben jedoch herausgefunden, dass nur fehlerfreies Graphen reißfest ist. Hat der einlagige Kohlenstoff Fehler, ist er nicht sehr solide.

Graphen hat eine höhere Zugfestigkeit als Stahl, ist dabei aber viel leichter. Das macht den einlagigen Kohlenstoff zu einem Wunschmaterial für Hardwarehersteller. US-Wissenschaftler haben aber eine Schwachstelle gefunden.

Die Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen gehören zu den stabilsten überhaupt. Allerdings nur dann, wenn sie intakt sind. Nicht perfektes Graphen hingegen sei spröde wie Keramik oder Glas, berichtet ein Forscherteam von der Rice University in Houston im US-Bundesstaat Texas und dem Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta.

"Graphen hat außergewöhnliche physikalische Eigenschaften, aber um es einzusetzen, müssen wir die praktische Stärke von großflächigem Graphen verstehen, die durch die Bruchzähigkeit bestimmt wird", erklärt Ting Zhu vom Georgia Tech. Sie seien die ersten, die die Bruchzähigkeit von Graphen untersucht hätten, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Mit Ionen beschossen

Für Tests legten die Forscher zwei einlagige Graphenbogen mit einer Kantenlänge von wenigen Mikrometern übereinander. Sie beschossen das Graphen mit einem Ionenstrahl, so dass eine Schwachstelle von weniger als zehn Prozent der Breite der Bogens entstand. Anschließend zogen die Forscher an den Seiten des Graphens und maßen die Kraft, die sie aufwenden mussten, um es zu zerreißen.

Der Fehler habe die Bruchfestigkeit des Graphens immens verringert: Perfektes Graphen hält einer Belastung von 100 Gigapascal stand, bei fehlerhaftem seien es nur 4 Megapascal gewesen. Das Graphen sei nur so stabil wie sein schwächstes Glied, sagen die Forscher.

Fehlendes Atom

"Jeder glaubt, dass die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung die stärkste Bindung in der Natur sei, so dass das Material sehr gut sein muss. Aber das stimmt nicht mehr, wenn solche Fehler auftreten", sagt Rice-Materialwissenschaftler Jun Lou. Und die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler aufträten, steige mit der Größe des Bogens. Ein Fehler könne schon sein, dass in einem Kohlenstoff-Ring ein Atom fehle.

Die Rice-Forscher um Zhu hatten die praktischen Tests durchgeführt. Das Georgia-Tech-Team um Zhu führte eine Computersimulation durch, um den Bruchprozess nachvollziehen zu können. "Es ist wichtig zu verstehen, wie Fehler den Umgang, die Verarbeitung und die Herstellung dieser Materialien beeinflussen", resümiert Lou. Ihre Arbeit könnte auch als Basis für Tests mit anderen zweidimensionalen Materialien dienen.