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Muschelforschung stärkt Graphen

Polydopamin wirkt als Bindemittel, um hohe mechanische und elektrische Eigenschaften zu erreichen

KAIST

REM-Querschnittsbild der reinen Graphenfaser (links) und der Graphenfaser nach zweistufiger Defektkontrolle mit Polydopamin (Mitte und rechts).

24.10.2018: Forscher zeigten die muschelinspirierte Verstärkung von Graphenfasern zur Verbesserung verschiedener Materialeigenschaften. Eine Forschungsgruppe um Professor Sang Ouk Kim hat Polydopamin als effektives Infiltratbindemittel eingesetzt, um hohe mechanische und elektrische Eigenschaften für graphenbasierte flüssigkristalline Fasern zu erreichen.

Diese bio-inspirierte Defekt-Engineering ist deutlich von früheren Versuchen mit isolierenden Bindemitteln zu unterscheiden und bietet ein großes Potenzial für vielfältige Anwendungen von flexiblen und tragbaren Geräten sowie kostengünstigen Strukturmaterialien. Das zweistufige Defekt-Engineering befasst sich mit der intrinsischen Begrenzung von Graphenfasern, die durch das Falten und Knittern von Graphenschichten während des Faserspinnprozesses entstehen.

Bio-inspirierte Fasern auf Graphenbasis sind vielversprechend für ein breites Anwendungsspektrum, darunter flexible Elektronik, multifunktionale Textilien und tragbare Sensoren. Im Jahr 2009 entdeckte die Forschungsgruppe Graphenoxid-Flüssigkristalle in wässrigen Medien und führte einen effektiven Reinigungsprozess zur Entfernung ionischer Verunreinigungen ein. Es wird erwartet, dass Graphenfasern, die typischerweise aus wässriger Graphenoxid-Flüssigkristalldispersion nass gesponnen werden, hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen.

Aufgrund der inhärenten Bildung von Defekten und Hohlräumen durch Biegen und Falten der Graphenoxidschicht innerhalb von Graphenfasern liegen deren mechanische Festigkeit und elektrische/thermische Leitfähigkeit jedoch immer noch weit unter den gewünschten Idealwerten. Dementsprechend ist die Suche nach einem effizienten Verfahren zur Herstellung der dicht gepackten Graphenfasern mit starker Zwischenschichtwechselwirkung eine große Herausforderung.

Das Team von Professor Kim konzentrierte sich auf die Haftungseigenschaften von Dopamin, einem Polymer, das unter der Inspiration der natürlichen Muschel entwickelt wurde, um das Problem zu lösen. Dieses funktionelle Polymer, das in verschiedenen Bereichen untersucht wird, kann die Haftung zwischen den Graphenschichten erhöhen und Strukturfehler verhindern.

Der Forschungsgruppe von Professor Kim ist es gelungen, hochfeste flüssigkristalline Graphenfasern mit kontrollierten Strukturfehlern herzustellen. Sie fertigten auch Fasern mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit durch den Nachkarbonisierungsprozess von Polydopamin.

Basierend auf der Theorie, dass Dopamin mit anschließender Hochtemperaturglühung eine ähnliche Struktur wie Graphen aufweist, optimierte das Team die Dopaminpolymerisationsbedingungen und löste die inhärenten Defektkontrollprobleme bestehender Graphenfasern.

Sie bestätigten auch, dass die physikalischen Eigenschaften von Dopamin in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit durch den Einfluss von Stickstoff in Dopaminmolekülen verbessert werden, ohne die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen, die die grundlegende Grenze herkömmlicher Polymere darstellt.

Professor Kim, der die Forschung leitete, sagte: "Trotz ihres technologischen Potenzials hat die Kohlefaser mit Graphen-Flüssigkristallen immer noch Grenzen in Bezug auf ihre strukturellen Grenzen". Diese Technologie wird auf die Herstellung von Verbundfasern und verschiedene tragbare textilbasierte Anwendungsgeräte angewendet."

Originalveröffentlichung:
In Ho Kim et al.; "Mussel‐Inspired Defect Engineering of Graphene Liquid Crystalline Fibers for Synergistic Enhancement of Mechanical Strength and Electrical Conductivity"; Advanced Materials; 2018

Fakten, Hintergründe, Dossiers

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