11 Möglichkeiten, wie Graphen die Welt verändern könnte

Graphen könnte eines der nützlichsten Materialien der Welt sein. Obwohl es nur ein Kohlenstoffatom dick ist, ist es um ein Vielfaches stärker als Stahl und hochflexibel.

Seit es 2004 erstmals von Forschern isoliert wurde, ist die Liste der Patente für Graphen jedes Jahr exponentiell gewachsen. Es kann nicht lange dauern, bis dieses Supermaterial eine technologische Revolution hervorbringt, die die Welt wirklich verändern könnte.

Hier sind einige tiefgreifende Graphen-Erfindungen, auf die man sich in naher Zukunft freuen kann.

1. Kraftstoff aus der Luft

Dieselben Forscher, die den Nobelpreis für die Isolierung von Graphen gewonnen haben, Andre Geim von der Universität Manchester und Kollegen, haben gezeigt, dass Graphen zur Herstellung mobiler elektrischer Generatoren verwendet werden kann, die mit aus der Luft extrahiertem Wasserstoff betrieben werden. Geims Team entdeckte, dass Graphen zwar selbst für die kleinsten Atome undurchlässig ist, aber zum Sieben von Wasserstoffatomen verwendet werden kann, denen die Elektronen entzogen wurden.

Dies bedeutet, dass Graphenfilme verwendet werden könnten, um die Effizienz von protonenleitenden Membranen, die wesentliche Bestandteile der Brennstoffzellentechnologie sind, erheblich zu verbessern. Geim stellt sich eine Zukunft vor, in der Fahrzeuge nur durch die winzigen Mengen Wasserstoff in der Umgebungsluft angetrieben werden könnten. "Im Wesentlichen pumpt man seinen Kraftstoff aus der Atmosphäre und holt Strom daraus", sagte Geim.

2. Schutz vor Mücken

Aedes aegypti kann tödlich sein, aber Graphen scheint ein gewisses Schutzversprechen zu haben. (Foto: Muhammad Mahdi Karim [GFDL 1.2] / Wikimedia Commons)

Die gleiche Undurchlässigkeit, die bei Brennstoffzellen zum Tragen kommt, führt zu anderen potenziellen Verwendungszwecken von Graphen, einschließlich der Abwehr von Mücken. In dieser Anwendung fanden Forscher zwei Wege, um diese tödlichen Insekten zu blockieren.

Graphenschichten können die Fähigkeit von Mücken blockieren, haut- oder schweißassoziierte Chemikalien zu erkennen, stellten Forscher der Brown University fest und boten das Potenzial eines ungewöhnlichen, nicht chemischen Ansatzes für den Umgang mit ihnen. Darüber hinaus bilden die Schichten eine physische Barriere, durch die Mücken einfach nicht beißen können. Ihre Arbeit, die in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, konzentrierte sich zunächst auf die mechanische Lösung, deckte jedoch schnell die anderen geheimen Fähigkeiten des Graphens auf.

"Mit dem Graphen landeten die Mücken nicht einmal auf dem Hautfleck - sie schienen sich einfach nicht darum zu kümmern", sagte Cintia Castillho, Ph.D. Student in Brown und der Hauptautor der Studie, sagte in einer Pressemitteilung der Brown University. "Wir hatten angenommen, dass Graphen durch Durchstoßfestigkeit eine physikalische Barriere gegen das Beißen darstellt, aber als wir diese Experimente sahen, begannen wir zu glauben, dass es auch eine chemische Barriere ist, die verhindert, dass Mücken erkennen, dass jemand da ist."

Der nächste Schritt besteht darin, eine Version der Graphenbarriere zu erstellen, die im nassen Zustand genauso effektiv funktioniert wie im trockenen Zustand, da die Mücken ihren Faszikel oder Fütterungsapparat im nassen Zustand durch den Stoff führen konnten.

3. Mehr verfügbares Trinkwasser

Graphen könnte helfen, die Weltwasserkrise zu lösen. Membranen aus Graphen können groß genug sein, um Wasser durchzulassen, aber klein genug, um das Salz herauszufiltern. Mit anderen Worten, Graphen könnte die Entsalzungstechnologie revolutionieren. MIT-Forscher haben herausgefunden, "dass die Wasserdurchlässigkeit dieses Materials mehrere Größenordnungen höher ist als bei herkömmlichen Umkehrosmosemembranen und dass nanoporöses Graphen eine wertvolle Rolle für die Wasserreinigung spielen kann."

Tatsächlich hat sich eine Art Graphen bei der Wasserfiltration als so wirksam erwiesen, dass Wasserproben aus dem Hafen von Sydney nach nur einmaligem Durchlaufen des Filters trinkbar wurden. In einer in Nature Communications veröffentlichten Studie verwendeten Forscher der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) eine Form von Graphen namens "Graphair", um das Meerwasser nach einer einzigen Behandlung trinkbar zu machen.

"Diese Technologie kann in einem einzigen Schritt sauberes Trinkwasser erzeugen, unabhängig davon, wie schmutzig es ist", sagte der CSIRO-Wissenschaftler Dong Han Seo in einer Erklärung. "Alles, was benötigt wird, ist Wärme, unser Graphen, ein Membranfilter und eine kleine Wasserpumpe. Wir hoffen, nächstes Jahr mit Feldversuchen in einer Entwicklungsländergemeinschaft beginnen zu können."

Zusätzliche Untersuchungen, die 2019 in Materials Science & Engineering C veröffentlicht wurden, haben dieses Konzept weiterentwickelt und die Notwendigkeit der Chlorierung überflüssig gemacht. Wissenschaftler der Russischen Nationalen Universität für Wissenschaft und Technologie (MISiS) und andere zeigten, dass das Graphen durch Injektion von Graphenoxid in eine Lösung, die E. coli enthält, die Bakterien durch Bildung von Flocken "einfängt", so Eureka Alert. Sobald die Flocken aus der Lösung gefischt waren, war das Wasser trinkbar und das Graphen konnte sogar wiederverwendet werden.

4. Elektronik

Ein hexagonales Graphengitter aus Kohlenstoffatomen. (Foto: AlexanderAlUS [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons)

Vergiss das Silicon Valley; Die Zukunft kann im Graphen-Tal liegen. Heutzutage setzen unsere elektronischen Geräte auf Silizium als Schlüsselkomponente, aber Transistoren aus Silizium nähern sich der Mindestgröße, bei der sie effektiv sein können, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit unserer Geräte bald ihren Tiefpunkt erreichen wird. Die ultradünne Natur von Graphen könnte jedoch die Antwort auf dieses Problem sein. Es kann nicht lange dauern, bis Graphen Silizium in unseren elektronischen Geräten ersetzt und sie schneller als je zuvor macht.

Graphen wird es auch ermöglichen, super dünne, flexible Touchscreens zu bauen, die praktisch unzerbrechlich wären. Sie müssen sich nie wieder Sorgen machen, Ihr Smartphone zu zerbrechen.

Im Jahr 2018 haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard University herausgefunden, dass Graphen noch überraschendere elektronische Eigenschaften haben kann. Es kann so eingestellt werden, dass es sich an zwei elektrischen Extremen verhält: als Isolator oder Supraleiter. Mit anderen Worten, dasselbe Material kann entweder den Elektronenfluss blockieren oder einen elektrischen Strom ohne Widerstand leiten.

"Wir können jetzt Graphen als neue Plattform zur Untersuchung unkonventioneller Supraleitung verwenden", sagt Pablo Jarillo-Herrero, Associate Professor für Physik am MIT, in einer Erklärung. "Man kann sich auch vorstellen, aus Graphen einen supraleitenden Transistor herzustellen, den man von supraleitend bis isolierend ein- und ausschalten kann. Das eröffnet Quantenbauelementen viele Möglichkeiten."

5. Predator Vision

Graphen hat sich für thermische Infrarot-Fotodetektoren als vielversprechend erwiesen. (Foto: Ivan Smuk / Shutterstock)

Der klassische Science-Fiction-Actionfilm "Predator" zeigt einen außerirdischen Attentäter, der die Welt im thermischen Infrarot sehen kann. Dank Graphen können Sie jetzt möglicherweise "Predator" sehen. Forscher der University of Michigan haben eine Graphen-Kontaktlinse entwickelt, mit der der Träger das gesamte Infrarotspektrum erfassen kann - plus sichtbares und ultraviolettes Licht.

"Wenn wir es in eine Kontaktlinse oder eine andere tragbare Elektronik integrieren, erweitert es Ihre Sicht", sagte Zhaohui Zhong, einer der Forscher, die die Technologie entwickeln. "Es bietet Ihnen eine andere Möglichkeit, mit Ihrer Umgebung zu interagieren."

6. Ein besseres Kondom

Graphen kann sogar die Fähigkeit haben, Ihr Sexualleben zu verbessern. Kondome aus Graphen können super dünn sein, was mehr Sensation bedeutet. Sie wären auch superstark, was bedeutet, dass sie weniger wahrscheinlich brechen - der wahre Test für jedes Kondom.

"Wenn dieses Projekt erfolgreich ist, könnten wir Graphen verwenden, das unseren Alltag auf intimste Weise berührt", sagte Aravind Vijayaraghavan, der Materialwissenschaftler, der 2013 die Erforschung von Graphenkondomen leitete.

Die Suche nach einem Graphen-Kondom war langsamer als von einigen Befürwortern erwartet, aber es geht immer noch. Die Bill and Melinda Gates Foundation hat 2013 Wellen geschlagen, als sie die Forschung zu Graphenkondomen finanzierte, und obwohl diese Bemühungen etwas nachgelassen haben, hat sie genug Versprechen gezeigt, um zusätzliche Mittel zu verdienen. In der Zwischenzeit ist mindestens ein Unternehmen mit einem "von Graphen inspirierten Kondom" auf den Zug gesprungen, das eigentlich kein Graphen verwendet, sondern seine sechseckige Struktur ausleiht.

7. Eine Welt ohne Rost

Graphen könnte eine weniger giftige Rostschutzoption bieten als einige bestehende Methoden. (Foto: Herain Kanthatham / Shutterstock)

Da Graphen praktisch undurchlässig ist, könnte eines Tages eine Schicht Farbe auf Graphenbasis verwendet werden, um Korrosion und Rost zu beseitigen. Forscher haben sogar gezeigt, dass mit Graphenfarbe bedeckte Glaswaren oder Kupferplatten als Behälter für stark ätzende Säuren verwendet werden können.

"Graphenfarbe hat eine gute Chance, ein wirklich revolutionäres Produkt für Industrien zu werden, die sich mit jeglichem Schutz vor Luft, Wetterelementen oder ätzenden Chemikalien befassen", sagte Rahul Nair, einer der Forscher, die die Technologie entwickeln zum Beispiel Medizin, Elektronik und Nuklearindustrie oder sogar Schiffbau, um nur einige zu nennen. "

8. Leuchtende Tapete

Glühende Wände könnten die Glühbirne bald ersetzen, dank der Entwicklung einer neuen Elektrodentechnologie auf Graphenbasis, die Displays dünner als je zuvor macht. Eine solche leuchtende "Tapete" liefert ein angenehmeres, einstellbares Licht in einem Raum als Glühbirnen und kann auch energieeffizienter gemacht werden. Und seien wir ehrlich, einige Dinge wirken futuristischer als beleuchtete "Tron" -ähnliche Wände.

"Durch die Verwendung von Graphen anstelle herkömmlicher Metallelektroden werden Komponenten der Zukunft viel einfacher zu recyceln und damit umweltfreundlich", sagte Nathaniel Robinson von der Universität Linköping, an der die Technologie entwickelt wird.

9. Bionische Menschen

Wenn Sie sich bereits übermäßig in Ihre Technologie integriert fühlen, haben Sie noch nichts gesehen. Die Graphenforschung führt nun zu Experimenten, bei denen sich die Elektronik in Ihre biologischen Systeme integrieren lässt. Grundsätzlich kann es bald möglich sein, Graphen-Geräte zu implantieren, die Ihr Nervensystem lesen oder mit Ihren Zellen sprechen können.

Dies könnte zu Durchbrüchen in der Medizin führen und Ärzten helfen, Ihren Körper zu überwachen oder sogar Ihre biologischen Systeme für eine optimale Gesundheit anzupassen. Die Technologie könnte auch Fitnessfanatikern helfen, ihre Trainingspläne zu verfolgen und zu überwachen.

10. Bessere, sicherere Haarfärbemittel

Dieses Foto zeigt blonde Haare vor (links) und nach (rechts) dem Färben mit einem Pigment auf Graphenbasis, dessen Strukturmodell ebenfalls rechts abgebildet ist. (Foto: Chong Luo / Cell Press)

Dies mag die Welt nicht so sehr verändern wie einige andere Anwendungen, aber Graphen hat sich auch als sicherere Alternative zu giftigen Haarfärbemitteln als vielversprechend erwiesen. In einer Studie aus dem Jahr 2018 berichten Forscher der Northwestern University, dass Graphen nicht nur die Leistung von dauerhaften Haarfärbemitteln erreichen kann, sondern auch ohne organische Lösungsmittel oder toxische molekulare Inhaltsstoffe. Darüber hinaus kann es dem Haar verbesserte antibakterielle, antistatische und wärmeableitende Eigenschaften verleihen.

Die Forscher sprühten ein Graphenoxidgel auf blondes menschliches Haar und ließen es 10 Minuten trocknen. Die Haarsträhnen waren mit einem nur 2 Mikrometer dicken Graphenfilm überzogen, der Berichten zufolge auch nach 30 Wäschen an Ort und Stelle blieb. Die antistatischen Eigenschaften könnten weitere ästhetische Vorteile bieten, und die Beschichtung sollte Ihrem Haar oder Ihrer Gesundheit keinen Schaden zufügen, sagen die Autoren der Studie.

"Dies ist eine Idee, die von Neugierde inspiriert wurde. Es hat sehr viel Spaß gemacht, aber es klang nicht sehr groß und edel, als wir anfingen, daran zu arbeiten", sagt der leitende Autor Jiaxing Huang, ein Materialwissenschaftler bei Northwestern, in einem Aussage. "Aber nachdem wir uns intensiv mit Haarfärbemitteln befasst hatten, stellten wir fest, dass dies eigentlich kein kleines Problem ist. Und es ist eines, das Graphen wirklich lösen könnte."

11. Kugelsichere Rüstung

Angesichts der Dünnheit und des starken Graphens scheint es unvermeidlich, dass es auch zum Bau verbesserter kugelsicherer Westen verwendet werden sollte. Sicher genug, Forscher haben herausgefunden, dass Graphenblätter doppelt so viel Aufprall absorbieren wie Kevlar, das Material, das üblicherweise in kugelsicheren Westen verwendet wird. Graphen ist auch eine Verbesserung gegenüber Kevlar. Es ist superleicht und daher weniger verschleißbeschränkend. Der Durchbruch könnte dazu beitragen, dass unsere Soldaten und Polizeibeamten bei Schüssen sicher sind. Die dünne Natur von Graphen könnte sogar zu Entwicklungen bei anderen kugelsicheren Oberflächen wie Fenstern führen.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, seit er ursprünglich im Dezember 2014 veröffentlicht wurde.

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