Das Team unter der Leitung von Hyung Gyu Park vom Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich hat eine stabile poröse Membran hergestellt, die dünner ist als ein Nanometer. Das ist hunderttausendmal weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die Membran besteht aus zwei Schichten des oft als Wundermaterial gepriesenen Graphen, einem zweidimensionalen, wabenförmigen Gitter aus Kohlenstoffatomen, in das die Wissenschaftler winzige Poren von genau definierter Grösse «schossen». Dadurch wird die Membran durchlässig für kleinste Moleküle. Grössere Moleküle und Partikel hingegen können sie entweder gar nicht oder aber nur sehr langsam passieren. «Mit der Dicke von nur zwei Kohlenstoffatomen ist dies die dünnste technisch machbare poröse Membran überhaupt», erklärt der ETH-Doktorand Jakob Buchheim, einer der Erstautoren der Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Science» veröffentlicht wurde.

Besser als Goretex
Künftig könnte die ultradünne Graphenmembran eine ganze Reihe von Anwendungen finden, etwa in funktioneller Regenbekleidung. «Unsere Membran ist nicht nur sehr leicht und flexibel, sondern vor allem tausendmal atmungsaktiver als Goretex», sagt Kemal Celebi, Postdoc in Parks Gruppe und ebenfalls Erstautor der Studie. Denkbar wäre auch eine Anwendung, um Gasgemische in ihre Bestandteile aufzutrennen oder um Verunreinigungen aus Flüssigkeiten zu filtrieren. Denn durch ihren «Trick», die Graphenschicht regelmässig und gezielt zu perforieren, konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, dass sich Graphenmembranen überhaupt eignen, um Wasser zu filtrieren: Die dünnste Membran der Welt hält übersteht immerhin Druckunterschiede von bis zu zwei bar.
Bemerkenswert ist die grosse Menge an Gas, die durch die Membran fliessen kann. Das liegt daran, dass im Gegensatz zu «normalem» Filtermaterial die Poren keine «Tunnel» darstellen, durch die die Moleküle fliessen müssen, sondern lediglich eine «Tür». Bremsende Wand-Effekte sind also minimiert – es gibt keinen Molekül-Stau beim Durchtritt durch die Löcher. Je kleiner die Poren werden, desto selektiver können dennoch grosse und kleine Moleküle auseinander sortiert werden. So liessen sich zum Beispiel Verunreinigungen aus Erdgas entfernen.

Durchbruch in der Nanofabrikation
Den Forschenden gelang es nicht nur, ihr Ausgangmaterial, eine zweischichtige Graphen-Folie, mit aussergewöhnlich hoher Reinheit herzustellen; sie konnten die Poren auch mit hoher Genauigkeit in den Graphen-Film schiessen. Dazu verwendeten sie die so genannte Ionenfeinstrahltechnik («focused ion beam», FIB), die auch bei der Herstellung von Halbleitern zum Einsatz kommt. Dabei wird ein Strahl von Helium- oder Galliumionen hochpräzise gesteuert, um Material wegzufräsen. So konnten die Wissenschaftler Poren in unerreichter Präzision und der gewünschten Anzahl und Grösse in das Graphen stanzen. Dieser Arbeitsschritt dauert nur wenige Stunden; früher brauchte es dazu mehrere Tage. «Die Herstellung der Membran war nur dank dieses Durchbruchs in der Nanofabrikation mittels FIB möglich», so der Empa-Forscher und FIB-Experte Ivan Shorubalko.
Um die gewünschte Präzision zu erreichen, mussten die Wissenschaftler mit zweischichtigem Graphen arbeiten. «Eine solche Membran mit nur einer Graphenschicht herzustellen, wäre mit unserer Methode nicht möglich gewesen. Denn in der Praxis ist Graphen nicht perfekt», sagt Park. Das Material könne Unregelmässigkeiten in der Wabenstruktur aufweisen, hin und wieder fehlten etwa einzelne Kohlenstoffatome. Dies beeinträchtigt nicht nur die Stabilität des Materials, an einer Fehlstelle wäre es auch unmöglich, eine hochpräzise Pore zu ätzen. Die Forschenden lösten dieses Problem, indem sie zwei Graphenschichten übereinanderlegten. Die Wahrscheinlichkeit, dass auf diese Weise zwei Fehlstellen genau übereinander liegen, sei äusserst gering, so Park.

Schnellstmögliche Filtration
Ein zentraler Vorteil der winzigen Dimension: Je dünner eine Membran ist, desto geringer ist ihr Widerstand und desto höher ist die Energieeffizienz. «Mit solch ultradünnen Membranen können wir die Durchflussrate für eine gegebene Porengrösse maximieren», sagt Celebi. Dadurch lasse sich die Filtration massiv beschleunigen, hoffen die Forscher.
Bis solche Anwendungen im industriellen Massstab möglich sind, muss der Herstellungsprozess allerdings noch weiterentwickelt werden. Für die Erforschung der Grundlagen hat das ETH-Empa-Team mit kleinsten Membranstücken von weniger als einem Hundertstel Quadratmillimeter gearbeitet. Es wird daher künftig in erster Linie darum gehen, grössere Graphenmembranen herzustellen und damit verschiedene Filtrationstechniken zu untersuchen.

Literaturhinweis
Ultimate Permeation across Atomically Thin Porous Graphene, Celebi K., Buchheim J., Wyss R.M., Droudian A., Gasser P., Shorubalko I., Kye J.I., Lee C., Park H.G., Science, 2014, 344: 289-344, doi: 10.1126/science.1249097

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Stichwort: «Porous Graphene»

Graphenmembran als ultimativer Filter