Junge Graphenforscher im Rampenlicht: Fragen und Antworten mit Dr. Maria Giovanna Pastore Carbone

Graphene-Info freut sich, talentierten jungen Graphenforschern die Bühne zu geben, insbesondere solchen mit so viel Engagement und Leidenschaft wie Dr. Maria Giovanna Pastore Carbone, die sich bereit erklärt hat, mit uns zu plaudern und ein paar Fragen zu ihrem Hintergrund, ihrer Arbeit und Zusammenarbeit mit uns zu beantworten das Graphen-Flaggschiff.

Maria-Giovanna (rechts) im Labor von FORTH, mit Mitarbeiter Christos Pavlou

Dr. Maria Giovanna Pastore Carbone ist eine italienische Materialingenieurin und Postdoktorandin am Institut für Chemieingenieurwissenschaften der Stiftung für Forschung und Technologie Hellas (FORTH/ICEHT). Sie beschäftigt sich seit 2015 mit Graphen und ist seit 2017 Mitglied des Graphene Flagship-Projekts. Ihre aktuelle Forschung im Rahmen des Graphene Flagship-Projekts konzentriert sich auf die Integration von Graphen und verwandten Materialien für die Entwicklung multifunktionaler Systeme (z. B. Leichtbau). Verbundwerkstoffe für EMI-Abschirmungsanwendungen und Beschichtungen zum Schutz vor UV-Vis-Strahlung und Durchdringung von Gasen/Dämpfen), mit Schwerpunkt auf ihrer Struktur-/Eigenschaftsbeziehung.

Q: Vielen Dank für dieses Interview, Dr. Carbone! Sehr schön, Sie per E-Mail kennenzulernen. Wir wissen, dass Sie sich seit 2015 mit der Graphenforschung beschäftigen. Können Sie uns einen kurzen Überblick über Ihre Forschungsinteressen und -projekte im Bereich Graphen geben?A: Während meines Doktoratsstudiums und in meiner früheren Postdoc-Karriere an der Universität von Neapel Federico II habe ich einen mehrskaligen, ganzheitlichen Ansatz zur Untersuchung der funktionellen und strukturellen Eigenschaften von mehrphasigen Materialien – hauptsächlich Polymeren und Verbundwerkstoffen – entwickelt, der darauf basiert über den Einsatz von Schwingungsspektroskopie, die die Korrelation solcher Eigenschaften auf der Makro-, Mikro- und Nanoskala ermöglicht. Ich war wirklich daran interessiert, diesen Ansatz zu nutzen und auf neue Materialien auszudehnen, und das „Wundermaterial“ war der reizvollste Fall. Deshalb zog ich 2015 nach Griechenland, um mich dem FORTH Graphene Center anzuschließen und die Mechanik von Graphenschichten mithilfe nanomechanischer Werkzeuge in Kombination mit Raman-Spektroskopie zu untersuchen. Dieser erste Ansatz mit Graphen fand im Rahmen eines ERC-Projekts (Tailor Graphene, geleitet von Prof. Costas Galiotis) statt, bei dem ich die Gelegenheit (und die Freiheit nutzen!) konnte, mein Wissen über die Eigenschaften von Zweidimensionalem zu erweitern Materialien und wie diese in reale Anwendungen umgesetzt werden können.

Eigentlich war ich als Ingenieur schon immer fasziniert von der Idee, neuartige Materialien für die Entwicklung intelligenter Produkte zu entwerfen. Daher begann ich mich an der Entwicklung von Polymerverbundwerkstoffen auf Basis von Graphen zu beteiligen und begann 2017 mit meiner Forschung im Rahmen des Graphene Flagship. Ich habe beispielsweise Dehnungssensoren entwickelt, die kommerzielle Elastomere verwenden, die mit Graphen-Nanoplättchen beschichtet sind und Körperbewegungen erkennen können, weiche und komprimierbare Nanokompositschäume mit einstellbarer elektrischer Leitfähigkeit und freistehende Graphen-Polymer-Nanolaminate zur Abschirmung elektromagnetischer Störungen (EMI).

F: Ihre aktuelle Forschung konzentriert sich auf mit Graphen verstärkte multifunktionale Systeme. Können Sie erklären, wie Graphen verwendet wird? Was sind Ihre aktuellen Forschungserfolge und Ziele?A: Graphen verfügt über eine einzigartige Kombination chemisch-physikalischer Eigenschaften und stellt vor diesem Hintergrund einen außergewöhnlichen Wegbereiter für bahnbrechende Technologien dar. Die inhärenten Eigenschaften graphenbezogener Materialien können anderen Materialien zusätzliche Funktionalität verleihen, indem sie die elektrische oder thermische Leitfähigkeit erhöhen, das Gewicht verringern oder die mechanische Festigkeit erhöhen. Ein sehr eindrucksvolles Beispiel dafür (dh wie Graphen mehrere Multifunktionalitäten bieten kann) ist das CVD-Graphen-Nanolaminat-Konzept. Tatsächlich arbeite ich im Rahmen von Graphene Flagship – WP14 „Composites“ an der Entwicklung und Skalierung von CVD-Graphen/Polymer-Nanolaminaten, die aus großen, kontinuierlichen Graphenschichten bestehen, die durch dünne Polymerschichten getrennt sind, die sich verfestigen - in einem einzigen Material – eine anspruchsvolle Kombination von Eigenschaften, nämlich hohe EMI-Abschirmwirkung, geringe Dichte, geringe Dicke und mechanische Integrität. Dies ist in einer Reihe von Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und sogar der Elektronik immer noch ein aktuelles Unterfangen.

Tatsächlich liegt die Leistung von Graphen-Polymer-Verbundwerkstoffen bisher immer noch unter den Erwartungen, was auf mehrere Einschränkungen diskontinuierlicher Füllstoffe (z. B. Graphen-Nanoplättchen, reduziertes Graphenoxid usw.) zurückzuführen ist, wie z. B. eine geringe laterale Größe der Flocken und eine hohe Anzahl von Schichten , Aggregations- und Orientierungsprobleme. Daher können im Allgemeinen höhere Füllstoffbeladungen erforderlich sein, um gute elektrische, mechanische und EMI-Abschirmeigenschaften zu erreichen. Dies stellt eine wesentliche Einschränkung für die effektive industrielle Anwendung flockenbasierter Graphenpolymer-Verbundwerkstoffe für die Massenproduktion von Gütern dar. Eine intelligente und effektive Alternative zu diskontinuierlichen partikelverstärkten Verbundwerkstoffen stellen CVD-Graphen-Nanolaminate dar; Das Design und die Herstellung eines solchen Verbundmaterials ist jedoch nicht einfach, und ich und meine Kollegen haben ein automatisches Verfahren zur Herstellung zentimetergroßer Nanolaminate entwickelt, die bei gleichem Graphengehalt die mechanische, elektrische, EMI-Abschirmung und Gasbarriere übertreffen Eigenschaften modernster flockenbasierter Graphen-Polymer-Verbundwerkstoffe. Die Ergebnisse dieser Aktivität wurden in renommierten Fachzeitschriften (z. B. Nature Communications) veröffentlicht. Es liegt jedoch noch ein langer Weg vor uns und mein Ziel ist es, dieses Material aus dem Labor zu holen …

F: Wir wissen, dass Sie sich für den Schutz von Kunstwerken mit Graphen (oder anderen 2DMs) interessieren. Können Sie uns mehr darüber erzählen?A: Abgesehen davon, dass ich ein Forscher bin, liebe ich die Kunst zutiefst und bin Amateurmaler. Daher ist es die Verwirklichung eines Traums, die Wissenschaft für die Kunst zu nutzen. Der Schutz von Kunstwerken vor schädlichen Faktoren wie Licht, Feuchtigkeit und anderen organischen Verbindungen ist in Museen sowohl für ausgestellte als auch für gelagerte Stücke ein wichtiges Anliegen. Es gibt viele Hinweise auf bekannte, vom Aussterben bedrohte Kunstwerke wie Van Goghs „Das Schlafzimmer“ oder Munchs „Schrei“, weil sich ihre Farben ändern und verblassen. Ihre Hauptfeinde sind Sonnenlicht, Feuchtigkeit und einige flüchtige organische Verbindungen. Graphen verfügt über eine einzigartige Kombination physikalischer Eigenschaften: Es ist unter anderem transparent, eine perfekte Barriere gegen Gase und absorbiert ultraviolette Strahlung. Im Prinzip stellt es die perfekte Lösung dar, um Farben vor Photodegradation zu schützen.

Graphen blockiert ultraviolettes Licht und stellt eine sehr gute Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit dar. Vor diesem Hintergrund trägt es effektiv dazu bei, das Ausbleichen der Farbe zu verhindern, indem es gleichzeitig die schädliche Strahlung, die auf das Kunstwerk trifft, reduziert und die Diffusion von Oxidationsmitteln behindert. Ich und meine Kollegen vom FORTH Graphene Center haben eine Technik entwickelt, um Graphenschleier auf Gemälden aufzubringen, und wir haben bewiesen, dass diese die Farbe tatsächlich vor dem Verblassen schützen können, wenn sie sichtbarer und ultravioletter Strahlung ausgesetzt werden. Wir haben auch mit Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien angereicherte Farben entwickelt, die über inhärente Anti-Fading-Eigenschaften verfügen. Die Forschungsaktivitäten wurden im Rahmen des ERC Poc GRAPHENART durchgeführt. Die Ergebnisse sind zwei Veröffentlichungen (eines veröffentlicht zum Thema „Nature Nanotechnology“ und das andere zum Thema „Nanoscale“), ein nationales (griechisches) Patent und zwei in mehreren Ländern weltweit eingereichte Patentanmeldungen. und haben die nationalen und internationalen Medien angezogen.

F: Was können Sie zur Arbeit mit/am Graphen-Flaggschiff (seit 2017) sagen?A: Das Graphene Flagship ist auf konzentrierte Forschungsbemühungen unter Beteiligung von Wissenschaftlern und Industrie ausgerichtet, was nach wie vor einen wichtigen Paradigmenwechsel für die zukünftige Forschung darstellt. Dank einer solch einzigartigen Konzentration von Ressourcen war es möglich, das Niveau an Verständnis und Wissen zu erreichen, das wir jetzt über Graphen und andere zweidimensionale Materialien haben, was bahnbrechende Technologien ermöglicht hat.

In den letzten Jahren hat das Graphene Flagship erfolgreich Graphen aus dem Labor geholt und so ein fruchtbares europäisches Industrieökosystem geschaffen, das Anwendungen von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien in verschiedenen Bereichen entwickelt. Der Beitritt zum Graphene Flagship war ein Meilenstein in meiner Karriere als Forscher, da er mir großartige Möglichkeiten zum Networking bot. Tatsächlich ermöglichte es mir, Kontakte zu Forschungszentren auf höchstem Niveau zu knüpfen und mit großen Unternehmen aus verschiedenen Branchen wie Airbus, BASF und Fiat sowie mit Graphenherstellern wie Avanzare und Graphenea in Kontakt zu treten. Darüber hinaus gab mir meine Beteiligung an den Spearhead-Projekten (z. B. GBoard) die Möglichkeit, den Weg von Graphen vom Labor zu kommerzialisierungsfähigen Innovationen zu beobachten und zu erleben.

F: Haben Sie Tipps oder Anregungen für junge Forscher, die mit der Graphenforschung beginnen?A: Die Forschung rund um Graphen und andere zweidimensionale Materialien ist faszinierend und attraktiv: i) Sie führt Sie von der dreidimensionalen Welt zu Proben atomarer Dimensionen; ii) Es ist beeindruckend, wie etwas Hauchzartes, fast Unsichtbares auf „magische“ Weise in Geräte und Verbundwerkstoffe integriert werden kann und einzigartige Eigenschaften der Superlative bietet. Daher ist es wahrscheinlich, dass junge Forscher, die mit Graphen beginnen, begeistert und gesegnet sein werden, mit dem „Wundermaterial“ zu arbeiten. Allerdings sollte die Forschung, wie in jedem Bereich, von Liebe und Neugier geleitet werden und ein hohes Engagement erfordern. Ethik und Transparenz sind von grundlegender Bedeutung, aber auch Beharrlichkeit und Entschlossenheit, insbesondere in schwierigen Zeiten der Forschung. Geben Sie niemals auf: Wenn Sie nicht die perfekte Graphenflocke finden, bleiben Sie nicht beim ersten Blick unter das Mikroskop stehen; Wenn Ihre Veröffentlichung nicht angenommen wird oder Sie Kritik erhalten, bleiben Sie nicht stehen, sondern machen Sie weiter und verbessern Sie Ihre Forschung. Nicht zuletzt müssen junge Forscher stets bedenken, dass ihre Mission darin besteht, zu einer besseren Zukunft beizutragen und Innovationen für eine nachhaltige Welt zu ermöglichen. Wir sollten nie vergessen, dass die einzige Grenze unsere Vorstellungskraft ist.

F: Wo wird Graphen Ihrer Meinung nach in drei bis fünf Jahren den größten Einfluss haben?A: Die unmittelbarsten Anwendungen von Graphen, wie Verbundwerkstoffe, Tinten und Beschichtungen, sind bereits im Handel erhältlich (Sie können einen Blick auf die Graphene Flagship-Produktgalerie werfen). Beispielsweise zeigt die Einkapselung von Graphen-verwandten Materialien in Polymer-Masterbatches, die eine bedeutende Errungenschaft des Flaggschiffs (WP14 Composites) darstellt, dass die Verwendung von Graphen-Verbundwerkstoffen im Alltag sehr nahe kommt. Ein praktisches Beispiel ist die Nutzung dieser Masterbatches für die Entwicklung eines intelligenten Armaturenbretts für Autos, was das Ziel des GBoard-Speerspitzenprojekts ist. Die Branche wird bald bereit sein, die neuesten Innovationen aufzunehmen und umzusetzen und mit der Herstellung anderer Produkte wie Batterien, Solarpaneele, Elektronik, Photonik- und Kommunikationsgeräte sowie medizinische Technologien zu beginnen. In naher Zukunft wird die nächste Technologiegeneration dank graphenbezogener Materialien ermöglicht: von Verbindungen für die 5G-Datenkommunikation bis hin zu tragbaren Gesundheitsmonitoren und flexiblen mobilen Bildschirmen. Unsere Mission ist es, all diese Materialien vollständig in alltägliche Produkte zu integrieren.

Vielen Dank, Dr. Maria Giovanna Pastore Carbone, und viel Erfolg bei Ihrer Arbeit!