Unsichtbare Schutzschicht: Das „Wundermaterial“ Graphen könnte wertvolle archäologische Fundstücke und andere Objekte besser vor Schäden und Korrosion schützen. Denn schon eine einlagige Graphenschicht reicht aus, um vergoldete oder metallüberzogene Materialien doppelt so resistent gegenüber Druckstellen und Schäden zu machen, wie nun Experimente belegen. Einzigartige Artefakte könnten so vor dem Verfall bewahrt werden.
Wenn Menschen früherer Kulturen ihre Kunstwerke gegen den Zahn der Zeit schützen wollten, überzogen sie diese meist mit dem edelsten aller Metalle – mit Gold. Die dünne Goldschicht bewahrte das darunterliegende Material vor Korrosion und Schäden, wie die vergoldeten Sarkophage des ägyptischen Pharaos Tutanchamun, vergoldete Totenmasken oder mit Blattgold verzierte Gemälde aus Japan belegen.
„Faszinierende ägyptische und chinesische Skulpturen, die bei diesem Prozess mit weniger als 200 Nanometer dicken Metallfilmen beschichtet wurden, haben so tausende von Jahren überdauert“, erklären Kaihao Zhang von der University of Illinois inUrbana-Champaign und seine Kollegen.
„Maschendrahtzaun“ aus Kohlenstoffatomen
Doch dank des modernen „Wundermaterials“ Graphen könnte sich diese Beschichtung sogar noch optimieren lassen. Graphen besteht aus einer Lage von Kohlenstoffatomen, die in Form sechseckiger Gitterwaben miteinander verknüpft sind. Diese scheinbar unspektakuläre Anordnung verleiht dem Graphen besondere mechanische und elektrochemische Eigenschaften.
Ob sich Graphen auch zum Schutz vergoldeter Kunstwerke und anderer metallbeschichteter Objekte eignet, haben die Forscher nun untersucht. Für ihre Experimente nutzten sie statt der Goldbeschichtung ultradünne Palladiumfilme als Ausgangsmaterial. Auf diese dampften sie mithilfe eines von ihnen optimierten Verfahrens eine nur ein Atom dicke Schicht Graphen auf.
Wie ein Maschendrahtzaun im Nanomaßstab überdeckte die Graphenschicht das darunterliegende Metall. Anschließend führten Zhang und seine Kollegen mit diesem Kombimaterial Belastungstests durch, bei denen sie es unter anderem einseitigem, punktuellem Druck aussetzten.
Schutz gegen Dellen und Korrosion
Das Ergebnis: „Schon eine Atomlage Graphen auf dem Palladium machte dieses doppelt so resistent gegenüber Dellen und Druckstellen wie eine nur aus dem Metall bestehende Beschichtung“, berichtet Zhangs Kollege Sameh Tawfick. „Dieses neue Material eröffnet damit neue, spannende Möglichkeiten, um selbst große Strukturen durch Beschichtung zu schützen.“ Denn um die Metallverzierungen eines ganzen Gebäudes mit Graphen zu überziehen, würde eine Graphenmenge von der Größe eines Stecknadelkopfes reichen.
Nach Ansicht der Wissenschaftler zeigen ihre Ergebnisse, dass eine Graphenbeschichtung ein wirksamer zusätzlicher Schutz für metallüberzogene Objekte sein könnte. Dadurch ließen sich beispielweise Schiffsrümpfe oder Gebäude, aber auch Elektrogeräte, wertvolle archäologische Artefakte oder Schmuck vor Korrosion und Schäden schützen.
Schonende Beschichtung
Die von Zhang und seinem Team optimierte Aufdampf-Methode ermöglicht es, selbst sensible Objekte mit Graphen zu beschichten, wie sie berichten. Denn für das Aufdampfen werde zwar eine Temperatur von rund 1.100 Grad benötigt, diese müsse aber nur 30 Sekunden anhalten. „Das ist kurz genug, um eine Hitzedegradierung des Materials zu verhindern und produziert dennoch Graphen sehr hoher Qualität“, sagt Zhang. (Advanced Functional Materials, 2018; doi: 10.1002/adfm.201804068)
(University of Illinois College of Engineering, 14.09.2018 – NPO)
