Flüssigkeiten und Gase mit Nanomembranen filtern

Die Fakultät für Physik der Universität Bielefeld startet mit der Forschung zu Nanomembranen in zwei neuen Projekten. In beiden Vorhaben geht es darum, ultradünne Folien als Filter zu nutzen. Das eine Projekt gehört zum Flaggschiff-Forschungsprogramm der Europäischen Union zu Graphen, die dafür über zehn Jahre rund eine Milliarde Euro investiert. Graphen ist ein biegsames und festes Material, das nur eine Atomlage dick ist. Das zweite Projekt untersucht die Filterung von Gas mit ultradünnen Nanomembranen, die dem Graphen sehr ähnlich sind. Es wird von der Initiative "M-era.Net" gefördert, einem Verbund mit Partnern aus 24 europäischen Ländern und Regionen.

Wer seinen Kaffee selbst filtert, weiß, dass es lange dauert, bis dieser durch das Filterpapier gelaufen ist - deutlich länger als durch ein Metallsieb. Das liegt daran, dass die Moleküle für die Wanderung durch die feinen Poren des Filterpapiers mehr Zeit brauchen, als durch die offenen Löcher eines Siebes. Dieser einfache Zusammenhang gilt für viele Filterungsprozesse in der Technik. Die meisten der heute dort eingesetzten Membranen ähneln Papierfiltern, und die Stoffe brauchen oft hohe Drücke und viel Energie, um sie zu passieren. Forscher der Universität Bielefeld verfolgen einen anderen Ansatz: "Wir wollen Energie und Material sparen, indem wir Siebe für Moleküle herstellen. Dafür verändern wir sehr dünne Materialien wie Graphen so, dass sie nur bestimmte Moleküle passieren lassen", sagt Professor Dr. Armin Gölzhäuser von der Fakultät für Physik.

Wie sich aus Graphen und anderen dünnen Membranen effiziente Filter für Moleküle herstellen lassen - daran arbeiten Forscher der Universität Bielefeld in der Teilstudie des EU-Großprojekts zu Graphen. Für die Studie kooperiert die Universität Bielefeld mit der Universität Ulm, dem Chemie-Konzern BASF in Ludwigshafen und dem Nanomembranhersteller CNM Technologies in Bielefeld. Privatdozent Dr. Andrey Turchanin und Professor Dr. Armin Gölzhäuser von der Universität Bielefeld koordinieren die Studie. "Wir wollen das Graphen so verändern, dass sich damit zum Beispiel Öle oder Wasser filtern lassen. Die Kunst besteht darin, die Porengrößen, die Materialstruktur und -oberfläche passgenau für die verschiedenen Anwendungen zu verändern", erklärt Turchanin. Rund 400.000 Euro gehen für diese Forschung in den kommenden anderthalb Jahren an das von der Universität Bielefeld koordinierte Konsortium.

Mit der Filterung von Gasen befasst sich das zweite neue Projekt, an dem die Fakultät für Physik beteiligt ist. Das Projekt des "M-era.Net"-Verbundes soll unter anderem untersuchen, wie sich das klimaschädliche Kohlenstoffdioxid aus Abgasen filtern lässt. Koordinator des Verbundes ist Professor Armin Gölzhäuser. In dem Projekt wollen er und seine Arbeitsgruppe Kohlenstoff-Nanomembranen als Gas-Filter erproben. 2013 hatte die Arbeitsgruppe ein neues Verfahren für die Herstellung solcher Membranen entwickelt. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Nanomembranen produzieren, die mehr als einen Quadratmeter groß sind. "Das Potenzial zur Herstellung derart großer Flächen macht unsere Membranen auch für die industrielle Nutzung interessant", sagt Gölzhäuser. Für das neue Projekt kooperiert die Universität Bielefeld mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht, dem Forschungszentrum Gabriel Lippmann in Luxemburg, und der Firma CNM Technologies. Gefördert wird es mit 1,5 Millionen Euro über drei Jahre. Davon gehen 400.000 Euro an die Universität Bielefeld. Die Initiative "M-era.Net" ist ein europäisches Netzwerk zu Materialwissenschaft und Werkstofftechnologien. 36 europäische Förderorganisationen und Programme finanzieren die Initiative mit insgesamt 30 Millionen Euro.

Quelle: Universität Bielefeld