Inhaltsverzeichnis

Vorwort   II

Inhaltsverzeichnis...........................................................................................   III

Abbildungsverzeichnis   V

Abk  ürzungsverzeichnis  VI

1.  Einleitung - 1 -  

1.1  Fraunhofer-Gesellschaft - 1 -  

1.2  Aufgabenstellung - 3 -  

2.  Kohlenstoff und seine Allotrope - 4 -  

2.1  Grundlage der verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs - 5 -  

2.2  Acetylen (sp- Hybridisierung) - 8 -  

2.3  Graphit (sp - Hybridisierung) - 9 -  

2.4  Diamant (sp - Hybridisierung) - 10 -  

3.  Neuartig Kohlenstoffpartikel - 11 -  

3.1  Fulleren - 12 -  

3.1.1  Aufbau - 12 -  

3.1.2  Herstellung von Fullerenen - 14 -  

3.1.3  Verwendungsmöglichkeiten von Fullerenen - 17 -  

3.1.3.1  Einsatz als Radikalfänger in Anti-Aging Produkten - 17 -  

3.1.3.2  Einsatz als Ausgangsstoff zur künstlichen Diamantherstellung - 19 -  

3.1.3.3  Einsatz als Schmiermittel - 19 -  

3.1.3.4  Einsatz zur Synthese von Molekülformen in der Medizin - 20 -  

3.1.3.5  Einsatz zur Herstellung von organischen Solarzellen - 22 -  

3.1.3.6  Einsatz in der Elektroindustrie als Supraleiter - 25 -  

III

3.1.3.7  Einsatz als Füllstoff für Polymere und als Verbundsstoff - 26 -  

3.1.4  Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit - 27 -  

3.2  Graphen - 31 -  

3.2.1  Aufbau von Graphen - 31 -  

3.2.2  Herstellung von Graphen - 33 -  

3.2.2.1  Mechanische Herstellung von Graphen - 33 -  

3.2.2.2  Herstellung von Graphen durch epitaktisches Wachstum - 33 -  

3.2.2.3  Herstellung von Graphen durch chemische Exfoliation - 34 -  

3.2.3  Verwendungsmöglichkeiten von Graphen - 35 -  

3.2.3.1  Einsatz als Halbleiter in Transistoren - 35 -  

3.2.3.2  Einsatz von Graphen in der Sensorelektronik - 38 -  

3.2.3.3  Einsatz als Verbundwerkstoff - 39 -  

3.2.4  Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit - 40 -  

3.3  Graphan - 43 -  

3.3.1  Aufbau von Graphan - 43 -  

3.3.2  Herstellung von Graphan - 44 -  

3.3.3  Einsatz von Graphan - 44 -  

3.3.3.1  Einsatz als elektrischer Leiter und Halbleiter - 44 -  

3.3.3.2  Einsatz als Wasserstoffspeicher in Brennstoffzelle - 45 -  

3.3.4  Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit. - 45 -  

4.  Zusammenfassung und Ausblick - 46 -  

Literaturverzeichnis.  - 48 -  

IV

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Joseph von Fraunhofer (circa 1822) - 1 -  

Abbildung  2: s-Orbital - 6 -  

Abbildung  3: m 1. - 6 -  

Abbildung  4: m -1 - 6 -  

Abbildung  5: m 0. - 6 -  

Abbildung  6: sp- Hybridisierung - 8 -  

Abbildung  7: sp - Hybridisierung - 9 -  

Abbildung  8: Schichtstruktur des Graphits - 9 -  

Abbildung  9: sp - Hybridisierung - 10 -  

Abbildung  10: Diamantstruktur - 10 -  

Abbildung  11: C 60 Buckminsterfulleren - 12 -  

Abbildung  12: Verschieden Bindungen im C 60 Molekül - 13 -  

Abbildung  13: Das Lichtbogenverfahren - 14 -  

Abbildung  14: Ursachen für die Zunahme von freien Radikalen - 18 -  

Abbildung  15: Anlagerung C 60 Derivat an HIV-Molekül - 21 -  

Abbildung  16: Energiebereitstellung durch Solarenergie - 22 -  

Abbildung  17: Schematischer Aufbau einer anorganischen Solarzelle - 23 -  

Abbildung  18: Aufbau und Funktionsprinzip einer organischen Solarzelle - 24 -  

Abbildung  19: Die sp - Hybridisierung von Graphen - 31 -  

Abbildung  20: Aufbau Graphenschicht. - 32 -  

Abbildung  21: Aufbau npn- Transistor - 35 -  

Abbildung  22: Graphenschicht mit adsorbiertem Gasmolekül - 38 -  

Abbildung  23: Aufbau von Graphan - 43 -  

V

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Abkürzungsverzeichnis

Mio. Million t Tonnen PTFE Polytetrafluorethylen bzw. beziehungsweise ca. circa ml Milliliter eV Elektronenvolt J Joule W Watt nm Nanometer O 2 Sauerstoff GPa Gigapascal

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1. Einleitung

1.1 Fraunhofer-Gesellschaft

Die Fraunhofer Gesellschaft wurde 1949 als gemeinnütziger Verein gegründet. Ihr Name geht auf den Wissenschaftler, Forscher und Unternehmer Joseph von Fraunhofer (1787-1826) zurück. Dessen außergewöhnliche Leistung bestand in der Verbindung von exakter wissenschaftlicher Arbeit und deren praktische Umsetzung in neue innovative Produkte. Seine Idee war es, einen gemeinnützigen Verein zur Förderung der ange-wandten Forschung zu gründen.

Das zentrale Unternehmensziel der Fraunhofer-Gesellschaft ist die Forschung für die Praxis. ¹ Sie betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen von Unternehmen und der Gesellschaft. Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt gegenwärtig rund 80 Forschungseinrichtungen, davon 58 Institute, an über 40 Standorten in ganz Deutschland. ² Mit weiteren Niederlassungen in Europa, den USA und in Asien wird die Verbindung zu den wichtigsten Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen sichergestellt. Den rund 12.500 Mitarbeitern steht für Ihre Arbeit ein Forschungsvolumen von etwa 1,2 Milliarden Euro zur Verfügung. Davon fallen über eine Milliarde Euro in den Bereich Vertragsforschung der sich zu 2/3 durch Forschungsaufträge aus der Industrie und der Öffentlichkeit finanziert. Der Bund und die Länder steuern den Instituten die restliche Summe bei, damit diese zukünftige Probleme für Gesellschaft und Umwelt erforschen und lösen können. Diese Studienarbeit setzt sich thematisch mit einem Aufgabengebiet der Abteilung „Prozessengineering funktionaler Materialien“ des Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart-Vaihingen auseinander. Diese Abteilung agiert im Bereich der Verfahrenstechnik von neuen Materialien und gestaltet produktionstechnische

¹ Vgl. Broschüre „Die Fraunhofer-Gesellschaft im Profil“ (Dez. 2005), S.6

² Vgl. ebenda

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Lösungen für Materialinnovationen. Durch die enge Zusammenarbeit von Kunden und internationalen Fachexperten, in Form von Entwicklungspartnerschaften, wird hier an allen prozess- und marktrelevanten Aspekten entlang der Wertschöpfungskette von Produkten geforscht. Ein wesentliches Ziel hierbei ist die signifikante Verkürzung von Entwicklungszeiten.

Eine Grundlage zu diesem Zweck bildet die Auswahl von Materialien, welche für die einzelnen, im Fokus stehenden Produkte verwendet werden können. Potentielle Werkstoffe müssen dabei auf ihre jeweiligen Eigenschaften hin untersucht werden. Die wirtschaftliche Betrachtung bildet neben der Eignung der Materialien ein wesentliches Entscheidungskriterium für deren potentiellen Einsatz. Darüber hinaus müssen industrielle Fertigungsverfahren für die Verarbeitung der ausgewählten Materialen auf deren Eignung zur Serienproduktion durchleuchtet werden. Die schnell zunehmende Kompetenz bei der Herstellung und Verarbeitung von Werkstoffen mit Abmessungen im Nanometerbereich führt zu einem sprunghaften Anstieg von zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten. Zu den derzeit attraktiven Werkstoffen gehören unter anderem neuartige Kohlenstoffpartikel wie Fullerene, Graphen und dessen Abwandlung Graphan. Aufgrund der experimentell entdeckten herausragenden Eigenschaften dieser Materialen ist deren Analyse bezogen auf industrielle Verwendungsmöglichkeiten höchst interessant. Die Studienarbeit beleuchtet, basierend auf dem Aufbau und den Eigenschaften der neuartiger Kohlenstoffpartikeln, deren mögliche Anwendungsfelder. Im Fokus stehen neben den aktuellen Forschungsergebnissen bezüglich der verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten auch die Verfügbarkeit und die Reproduzierbarkeit dieser Materialien.

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1.2 Aufgabenstellung

Bei den Kohlenstoffpartikeln Graphen, Graphan und Fulleren handelt es sich um relativ neue Materialien. Aufgrund ihrer zum Teil herausragenden Werkstoffeigenschaften werden mögliche Einsatzfelder zurzeit aufmerksam untersucht und erforscht. Es existieren vor allem in der Sportartikelindustrie bereits Produkte, bei denen Kohlenstoffpartikel als Legierungszusätze verwendet werden. Dort führt ihre Einsatz zu einer Verbesserung von Materialeigenschaften wie beispielsweise einer hohen Elastizität bei einer gleichzeitigen Gewichtsreduzierung.

Darüber hinaus bestehen bereits mehrere verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für Kohlenstoffpartikel in der Industrie. Allerdings haben diese bisher meist Prototypencharakter und stehen von einem Übergang in die Serienproduktion noch relativ weit entfernt. Für eine Herstellung von Serienprodukten mangelt es in vielen Fällen noch an geeignete Verarbeitungsverfahren, teilweise bedingt durch die geringe Teilchengröße der Ausgangsmaterialen.

Der Anspruch dieser Studienarbeit ist es, Verwendungsmöglichkeiten für diese neuartigen Kohlenstoffpartikel zusammenzutragen und zu bewerten. Um die Eigenschaften der Kohlenstoffpartikel genauer beschreiben zu können müssen zuerst die grundlegenden Werkstoffeigenschaften und der atomare Aufbau der Kohlenstoffpartikel und ihres Ausgangsstoffes, Kohlenstoff, genauer noch Graphit, erarbeitet werden. Danach sollen die Herstellungsverfahren für diese Stoffe und deren mittelfriste Verfügbarkeit beleuchtet werden. Basierend auf den dadurch erarbeiteten Ergebnissen sollen die jeweils realisierbaren Anwendungen der Kohlenstoffpartikel näher untersucht werden. Abschließend gilt es, Prognosen für die Übertragbarkeit der bisher experimentell erforschten Verwendungsmöglichkeiten in die Serienproduktion aufzustellen und diese auf fachlicher Ebene zu begründen. Mit einem abschließenden Ausblick über das Potential von Kohlenstoffpartikel als Universalwerkstoffe und einer Abschätzung über zukünftige Entwicklungen auf diesem Stoffgebiet soll diese Studienarbeit ihren Abschluss finden.

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2. Kohlenstoff und seine Allotrope

Seit nunmehr 6000 Jahren dient Kohlenstoff zur Reduktion von Metallerzen. Zuerst wurde es in Form von Holzkohle zur Gewinnung von Blei und Kupfer und später in Form von Steinkohle zur Gewinnung von Bronze und Eisen verwendet. ³ Weltweit wurden im Jahr 2007 rund 5293 Mio. Tonnen Steinkohle und 891 Mio. Tonnen Braunkohle gefördert. ⁴ Durch die zu Beginn des 18. Jahrhunderts erfundene Verkokung von Kohle zu Koks wurde die Eisenproduktion in Hochöfen ermöglicht. Die Jahresproduktion dieses Hüttenkoks liegt im 100 Mio. Tonnen Bereich, da für den Betrieb von Hochöfen und zu Feuerungszwecken sehr große Mengen dieses Stoffes benötigt werden. ⁵ Obwohl Kohle und demzufolge indirekt Kohlenstoff einer der am längsten und vor allen Dingen auch der am intensivsten genutzte Naturstoff ist, fand eine tiefergehende Untersuchung dieses Stoffes erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts statt. Ausgehend von dieser Zeit wurden die unterschiedlichen Modifikationen und die daraus resultierenden, stark voneinander abweichenden Eigenschaften von Kohlenstoff entdeckt, analysiert und erforscht. Dabei stellte sich heraus, dass Kohlenstoff dank seiner besonderen Elektronenkonfiguration die Fähigkeit zur Bildung von teilweise hochkomplexen Molekülen besitzt. Damit ist Kohlenstoff das vielseitigste aller chemischen Elemente. Diese Vielfalt zeigt sich selbst in der elementaren Form des Kohlenstoffs in der drei verschiedene Allotrope koexistieren. Unter Allotropie versteht man die Erscheinung, dass ein chemisches Element in mindestens zwei oder mehreren Strukturformen im selben Aggregatzustand auftritt. ⁶ Diese Strukturformen weisen dabei meistens beachtliche Unterschiede in ihrem chemischen und physikalischen Reaktionsvermögen auf. Das nachfolgende Kapitel 2.1 behandelt die bereits erwähnte Elektronenkonfiguration, welche die Ursache für das Auftreten von verschiedenen Strukturformen eines Elements im selben Aggregatzustand ist. Unter der Elektronenkonfiguration versteht man die Verteilung der Elektronen in den Orbitalen. Die Orbitale beschreiben dabei den Raum, in dem sich ein Elektron mit 90 prozentiger Wahrscheinlichkeit aufhält.

³ Vgl. (Dettmann, 1994), S.19

⁴ Quelle: Statistik der Kohlenwirtschaft e.V.

⁵ Vgl. (Krüger, 2007), S.15

⁶ Vgl. (Mohr, 1868)

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2.1 Grundlage der verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs

Um die Elektronenkonfiguration und dadurch auch die verschiedenen Erscheinungsformen von Kohlenstoff zu verstehen, muss das moderne quantenmechanische Atommodell herangezogen werden. Dieses löste Mitte des 20. Jahrhunderts das bisher verwendete bohrsche Modell ⁷ ab, nach dessen Vorstellung die Elektronen eines Atoms feststehende Bahnen mit einem genau bestimmbaren Radius verfolgen. In diesem Elektronenschalenmodell war eine exakte Ortsangabe des jeweiligen Elektrons möglich.

Mithilfe der bahnbrechenden Forschungsergebnisse der Physiker Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Wolfgang Pauli auf dem relativ jungen Gebiet der Quantenphysik wurde gezeigt, dass Elektronen nicht durch klassisch physikalische Bahnkurven beschrieben werden können. ⁸ Den Grundstein hierfür legte im Jahr 1924 der französischen Physiker Louis de Broglie ⁹ mit seiner Erkenntnis, dass Elektronen einen Wellencharakter haben. Werner Heisenberg entdeckte mit seiner Unbestimmtheitsrelation, dass sie sich nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in einem abgegrenzten Raum aufhalten. Diese Wahrscheinlichkeit kann durch aufwändige mathematische Verfahren berechnet werden.

Ein grundlegendes neues Modell, welches Elektronen im Atom als stehende, dreidimensionale Wellen betrachtet wurde im Anschluss von Erwin Schrödinger ¹⁰ aufgestellt. Schrödinger stellte darüber hinaus eine Differentialgleichung auf, welche den Zusammenhang zwischen den Schwingungen des Elektrons im atomaren Raum, der Wellenfunktion (ψ) und seiner Energie (E) deutlich macht. ¹¹ Dadurch konnte eine Aussage darüber gemacht werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit das jeweils betrachtete Elektron in einem abgegrenzten Raumelement der Elektronenhülle zu finden ist. 12

⁷ Niels Bohr (1885-1962) erhielt für dieses Modell 1922 den Nobelpreis der Physik

⁸ Vgl. (Pfestorf, 2006), S.40

⁹ Louis de Broglie (1892-1987) erhielt für seine Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Material-

wellen 1929 den Nobelpreis der Physik

¹⁰ Erwin Schrödinger (1887-1961) erhielt für das Aufstellen der neuartigen Atomtheorie 1933 den No-

belpreis der Physik

¹¹ Vgl. (Prof. Dr. Erhard Kemnitz, 2004), S.54

¹² Vgl. ebenda

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Die Wellenfunktion eines Elektrons in Verbindung mit der zugehörigen Raumkoordinate wird auch Orbitale genannt. ¹³ Über die winkelabhängige Darstellung der Wellenfunktion ist die Gestalt des Raumes zu entnehmen, in dem sich das Elektron aufhält. ¹⁴ Sie beschreibt die Geometrie der Orbitalen und ihre Ausrichtung im Raum. Die Gestalt eines Orbitals wird dabei von der Nebenquantenzahl l bestimmt. s- Orbitale (l=0) sind kugelförmig, p- Orbitale (l=1) sind hantelförmig. Die folgende Grafik zeigt ein s- Orbital mit Koordinatenachsen. 15

Zur Bestimmung der Ausrichtung eines p- Orbitals im Raum benötigt man die Magnetquantenzahl m. Bei s- Orbitalen ist die Nebenquantenzahl und diese Magnetquantenzahl immer Null, somit existiert nur eine Ausrichtungsmöglichkeit, welche in Abbildung 2 dargestellt ist. Beim p- Orbital benötigt man jedoch die Quantenzahlen m=-1, m=0 und m=1 um die exakte Ausrichtung der Orbitale im Raum zu bestimmten. Diese verschiedenen Ausrichtungen werden in Abbildung 3,4 und 5 gezeigt. 16

¹³ Vergleiche hierzu Kapitel 2

¹⁴ Vgl. (Prof. Dr. Erhard Kemnitz, 2004), S.56

¹⁵ Quelle: Homepage Svenborg Gymnasium, Dänemark

¹⁶ Quelle: http://www.paukr.de/kurse/chemie-lk-gymnasium-bayern-1/wiederholung-das-orbitalmodell