Alle Versuche, Graphen chemisch so zu modifizieren, dass es in Wasser aufquillt und ein so genanntes Hydrogel bildet, führten zu einem nichtleitenden Endprodukt. Dabei gilt gerade die extrem hohe Leitfähigkeit des Materials als Schlüsseleigenschaft für technische Anwendungen. Forschern der Monash University in Australien ist dies nun gelungen, indem sie eine wässrige Suspension des Graphens filtrierten. Die einzelnen Graphenschichten stapelten sich auf dem Filter übereinander und eingelagerte Wassermoleküle ließen das Material aufquellen. Hydrogele können Wasser reversibel aufnehmen und können im aufgequollenen Zustand aus bis zu 99 Prozent Wasser bestehen. Durch Trocknen geben sie das Wasser wieder ab und schrumpfen auf die ursprüngliche Größe.

Dan Li und seine Kollegen stellten das Graphen her, indem sie zunächst gewöhnliches Graphit oxidierten. Im Ultraschallbad spalteten sich die einzelnen Graphenoxidschichten ab, denen die Wissenschaftler durch chemische Reduktion den Sauerstoff entzogen und so reines Graphen erhielten. Die Forscher stellten jedoch fest, dass einige Sauerstoffgruppen im Graphen erhalten blieben und die Schichten dadurch leicht gekrümmt waren, so dass sie sich nicht so dicht aneinander anlagern konnten wie im Graphit. Bei Zugabe von Wasser ist so Platz für Wassermoleküle, die in die Zwischenräume eindringen und das Material aufquellen lassen.

Filtrierten die Wissenschaftler die wässrige Suspension mit den Graphenschichten, so stapelten diese sich durch den gerichteten Sog geordnet übereinander. Das Graphenhydrogel ist flexibel und kann einfach vom Filter abgezogen werden. Trotzdem ist es mechanisch sehr stabil und kann vor allem senkrecht zu den gestapelten Schichten kaum deformiert werden. Durch die parallele Anordnung der einzelnen Schichten ist das Material auch im aufgequollenen Zustand elektrisch leitfähig. Im Gegensatz zu anderen Hydrogelen, die durch Zugabe von Wasser in alle Richtungen aufquellen, quillt das Graphenhydrogel ausschließlich senkrecht zu den Schichten auf. Das könnte vorteilhaft sein, wenn man das Material in einem elektrischen Stromkreis zwischen zwei Elektroden anschließt, denn dann würde es auch beim Quellen nicht den Kontakt zur Elektrode verlieren.

Im Unterschied zu bisherigen Methoden zur Herstellung von Graphenhydrogelen erzeugten die Forscher das Hydrogel in dieser Studie an der Oberfläche des Filters und nicht in der Suspension. Beim Ausquellen in der Suspension entsteht eine dreidimensional vernetzte Struktur, in der die Graphenschichten ungeordnet vorliegen – die Leitfähigkeit ist minimiert. Bei der Filtration hingegen stapeln sich die Schichten geordnet übereinander, wodurch die Leitfähigkeit erhalten bleibt. (jf)