Graphen ist ein extrem dünnes, flexibles und widerstandsfähiges Material aus reinem Kohlenstoff. Es bildet Schichten, die praktisch aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen bestehen. Um Graphen so dick wie ein menschliches Haar zu machen, müssten Tausende solcher Schichten übereinander gestapelt werden.
Viele Forscher beschäftigen sich intensiv mit Graphen. Dafür gibt es einen guten Grund, denn die besonderen Eigenschaften des Materials versprechen neue Anwendungen, beispielsweise in der Elektronik oder Energietechnik.
Graphen für andere Moleküle durchlässig machen
Für Wissenschaftler ist es besonders interessant, die Durchlässigkeit von Graphen für verschiedene Stoffe steuern zu können: „Im Kohlenstoffgitter von Graphen können sogenannte Defekte entstehen.“ Man kann sich diese als kleine Löcher vorstellen, die das Gitter für Gase durchlässig machen“, sagt Chemieprofessor Frank Würthner von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bayern.
Eine Durchlässigkeit für andere Stoffe, beispielsweise Ionen wie Fluorid, Chlorid oder Bromid, wurde bisher nicht beobachtet. „Für Anwendungen wie die Entsalzung von Wasser, den Nachweis oder die Reinigung von Stoffgemischen wäre dies jedoch von grundsätzlichem wissenschaftlichem Interesse“, erklärt der Würzburger Professor.
Defekt lässt Ionen passieren: Veröffentlichung in Nature
Ein Team um Frank Würthner hat nun erstmals ein Modellsystem mit einem Defekt geschaffen, der die Halogenide Fluorid, Chlorid und Bromid passieren lässt, nicht aber Jodid. Dies gelang in einer stabilen Doppelschicht aus zwei Nanographenen, die einen Hohlraum umschließt. Die eingedrungenen Halogenidionen werden in diesem Hohlraum gebunden, so dass die für den Eintritt benötigte Zeit gemessen werden konnte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.
Chlorid ist Bestandteil von Kochsalz, kommt im Meerwasser vor und spielt eine wichtige Rolle bei Lebensprozessen aller Organismen. „Der Nachweis einer hohen Permeabilität für Chlorid durch einschichtiges Nanographen und einer selektiven Bindung von Halogeniden in einem doppelschichtigen Nanographen bringt einige Anwendungen näher“, sagt Dr. Kazutaka Shoyama, der das Projekt gemeinsam mit Frank Würthner initiierte und leitete. Zu diesen Anwendungen gehören Wasserfiltrationsmembranen, künstliche Rezeptoren und Chloridkanäle.
Größere Stapel von Nanographenen sind das nächste Ziel
Im nächsten Schritt wollen die Würzburger Chemiker größere Stapel ihrer Nanographene aufbauen. Sie wollen damit den Fluss von Ionen untersuchen – und damit einen Prozess, der in ähnlicher Form auch in biologischen Ionenkanälen abläuft.
Diese Forschung wurde am Institut für Organische Chemie und am Zentrum für Nanosystemchemie der JMU durchgeführt. Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen zweier Stipendien zur Entwicklung von mit Imidgruppen ausgestatteten Nanographenen gefördert.
