Ultradünne Folie macht Solarpaneele widerstandsfähiger

Wenn z.B. ein Stück Käse oder eine Packung frischer Beeren länger halten soll, wird es im Handel oft in Folie eingeschweißt. Denn dann gelangt weniger Sauerstoff an die Lebensmittel und sie verderben nicht so schnell. 

Auch andere Materialien reagieren – wenn auch weit langsamer – ebenfalls mit der Luft oder anderen Umwelteinflüssen. Mit der Zeit führt das zu Korrosionserscheinungen. 

Ein Forschungsteam des MIT hat nun eine neuartige, ultradünne Folie entwickelt, die fast völlig undurchlässig für Gasmoleküle ist. Dieses 2DPA-1-Polymer genannte Material könnte Solarpaneele, Brücken oder Gleise widerstandsfähiger machen und auch für Lebensmittel- oder Medikamentenverpackungen genutzt werden. Die entsprechende Studie wurde vergangene Woche in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Undurchlässiger als alle anderen Polymere

Weil es nur 4 bis 65 Nanometer dick ist, wird es auch als 2D-Material bezeichnet. Zur Einordnung: Coronaviren haben einen Durchmesser von 60 bis 140 Nanometern.

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Die Forscherinnen und Forscher haben ihre neuartige Folie mit Stickstoff, Helium, Argon, Sauerstoff, Methan und Schwefelhexafluorid getestet und stellten fest, dass es für diese Gase wesentlich undurchlässiger ist als sämtliche bekannten Polymere. 

Keine Lücken zwischen den Polymer-Lagen

Klassische Polymere lassen Gase durch, weil sie aus einem Gewirr Spaghetti-artiger Moleküle bestehen, die lose miteinander verbunden sind, wie das MIT erklärt. Dadurch entstehen winzige Lücken zwischen den Strängen, durch die dann Gasmoleküle sickern können. Die wenigen Lagen des neuartigen Materials kleben dagegen so eng aneinander, dass sie quasi gasundurchlässig sind.

„Unser Polymer ist ziemlich ungewöhnlich. Es wird natürlich durch eine Polymerisationsreaktion in der Lösungsphase hergestellt, aber das Produkt verhält sich wie Graphen, das gasundurchlässig ist, weil es ein perfekter Kristall ist. Wenn man dieses Material jedoch untersucht, würde man es niemals mit einem perfekten Kristall verwechseln“, sagt Michael Strano, einer der Autoren und Professor für Chemie-Ingenieurwesen am MIT in einer Aussendung. 

Herstellungsprozess gut skalierbar

Laut den Forscherinnen und Forschern kann der Herstellungsprozess gut skaliert werden. Die Polymer-Folie könne außerdem viel leichter auf Oberflächen angebracht werden als Graphen.

Die Materialwissenschaft habe bereits daran gearbeitet, Solarzellen und andere Geräte mit Graphen zu beschichten, um sie vor Korrosion zu schützen. „Wer können kristallines Graphen nur in sehr kleinen Flecken herstellen“, sagt Strano. 

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Vielversprechend für Perowskit-Zellen

Das 2DPA-1-Polymer hält zudem sehr gut. Eine 60 Nanometer dicke Schicht davon könnte die Lebensdauer eines Perowskit-Kristalls bereits um 3 Wochen verlängern. Eine dickere Schicht würde noch längeren Schutz bedeuten, so die Forscherinnen und Forscher.

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Von Perowskit verspricht sich die Forschung günstige und leichte Solarzellen, allerdings gehen sie derzeit noch viel schneller kaputt als geläufige Solarpaneele aus Silizium. Auch in der Automobil-, Luftfahrt- und Schifffahrtsindustrie könnte 2DPA-1-Polymer zur Anwendung kommen.

Kleinere Smartphone-Bauteile

In der Studie stellen die Autorinnen und Autoren noch einen weiteren Anwendungsfall ihres neuartigen Materials vor: ein Nano-Resonator. Das ist eine Art Trommel, die bei einer bestimmten Frequenz in Schwingung gerät.

In Smartphones sind größere, d. h. rund 1 Millimeter große Varianten solcher Resonatoren verbaut. Sie empfangen die Frequenzbänder, die zum Senden und Empfangen von Daten genutzt werden.

„Es gibt Bestrebungen, sie mittels Nanotechnologie zu verkleinern. Eine Verkleinerung auf weniger als einen Mikrometer wäre revolutionär. Handys und andere Geräte könnten kleiner werden, der Stromverbrauch für die Signalverarbeitung gesenkt werden“, erklärt Strano.