Ultraleicht und diamanthart

Die Nutzung von Graphen hätte enorme Auswirkungen auf die Gesellschaft

Von Joachim Laukenmann

Selten wird ein Nobelpreis für die Entdeckung eines Materials vergeben, das jeder spielend leicht selbst herstellen kann. Man nehme: Bleistift, Messer, durchsichtiges Klebeband. Mit dem Messer schabe man eine Flocke von der Grafitmine des Bleistifts ab und klebe sie auf den Klebstofffilm. Nun biege man den Film um, sodass die Grafitflocke von beiden Seiten Kontakt zum Klebstoff hat. Dann reisse man den Klebstofffilm auseinander. Dabei löst sich eine dünne Grafitflocke von der ursprünglichen Flocke ab. Man wiederhole das Zusammenkleben und Trennen des Klebstofffilms, bis man nahezu unsichtbare Grafitflocken erhält, die aus einer einatomigen Schicht Kohlenstoffatomen bestehen.

Dieses ultradünne Material heisst Graphen. Erstmals beobachtet hat es der deutsche Chemiker Hans-Peter Boehm bereits 1962, doch wusste er noch nichts von den Superlativen, die in diesem zweidimensionalen Kristall stecken. Der grosse Hype wurde 2004 losgetreten, als Andre Geim und Konstantin Novoselov von der Universität Manchester mit der Klebefilm-Technik Graphen wiederentdeckten und dessen Eigenschaften beschrieben. 2010 erhielten die beiden Forscher dafür den Nobelpreis der Physik.

200-mal so stabil wie Stahl und viel leichter als Metall

«Graphen ist ein fantastisches Material für die Physik, aber vielleicht noch mehr für Biologie, Chemie und das Engineering», sagt Klaus Ensslin, Leiter der Nanophysik-Gruppe an der ETH Zürich.
Graphen, so hat sich herausgestellt, ist härter als Diamant und doch biegsam. Es ist rund 200-mal so stabil wie Stahl und dabei viel leichter als das Metall. Graphen leitet Wärme besser als jedes andere Material, und Elektronen sind darin mobiler als in Silizium. Graphen absorbiert Licht vieler Wellenlängen und ist doch nahezu transparent. Es bildet eine Barriere für Gase und Wasser und ist resistent gegen Chemikalien.

«Wir sind überzeugt: Wenn man das Potenzial von Graphen voll ausschöpft, hätte das enorme Auswirkungen auf die ganze Gesellschaft», sagt Jari Kinaret von der Technischen Hochschule Chalmers in Göteborg, Schweden. Er leitet das Projekt Graphene-Flagship, das mit fünf anderen Grossprojekten um EU-Fördergelder von einer Milliarde Euro konkurriert.

Auf atomarer Ebene präsentiert sich Graphen wie ein Zaun mit sechseckigen Maschen, an dessen Ecken Kohlenstoffatome sitzen. Wie es aussieht, erfährt man bei Daniel Neumaier von der Firma AMO, einem Spin-off der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen. Neumaier stellt eine mit Graphen beschichtete Quarzplatte auf den Tisch. Die Schicht aus zehn Lagen Graphen ist als leicht graue Tönung der durchsichtigen Quarzplatte zu erkennen. «Eine Hängematte aus diesem Graphen-Maschendraht könnte eine Katze tragen, und das, obwohl die Hängematte leichter wäre als ein Katzenhaar», sagt Neumaier, der zum Kernteam des Graphene-Flagship gehört.

Die ersten Anwendungen stehen vor der Tür, etwa Verbundwerkstoffe, die durch Graphenflocken verstärkt werden. Vermutlich wird Samsung schon nächstes Jahr ein Touchscreen-Handy mit Graphen-Bildschirm auf den Markt bringen. Zu den weiteren Anwendungen gehören: bessere Elektroden für Batterien, schnellere Lichtdetektoren, flexible und doch robuste Sensoren, die schnelle Entschlüsselung der Erbsubstanz DNA, Datenspeicher für Computer und Membranen zur Meerwasserentsalzung. «Was die ultimative Killeranwendung von Graphen sein wird, ist derzeit schwer vorherzusagen», sagt Neumaier.

Kaum war Graphen entdeckt, hiess es auch: Mit ihm lassen sich bessere Transistoren für Computer bauen. «Nach wenigen Jahren stellte man jedoch fest: So einfach geht das nicht», sagt Neumaier. Das Problem: Graphen ist kein Halbleiter, sondern ein Halbmetall. Das ist schlecht für die digitale Sprache der Computer.

Hochfrequenz-Transistoren für die Telekommunikation

So schnell geben sich die Forscher aber nicht geschlagen. Sie schneiden Graphen in winzige Bänder, schmuggeln fremde Atome ein, kombinieren Graphen mit anderen zweidimensionalen Kristallen oder prägen dem Material feinste Strukturen auf. «Graphen-Forschung gibt es erst seit acht Jahren», sagt der Nanotechnologe Roman Fasel von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt. «Man steht noch ganz am Anfang und muss noch zahlreiche Probleme lösen.» Dazu gehört neben der Entwicklung von Graphen-Transistoren auch die billige Herstellung grosser Graphenschichten für Monitore.

Wie der zweidimensionale Kristall heute hergestellt wird, zeigt Neumaier im Reinraum von AMO. In einem silbernen, mit diversen Leitungen versehenen Bottich mit Guckfenster im Deckel stellt ein Forscher gerade Graphen her. Je nach Einstellung der Parameter wie Temperatur und Druck bilden sich auf einer Nickelplatte ein bis drei Lagen Graphen. In einem anderen Raum überträgt ein Forscher kleine Graphenplättchen auf das Zielmedium, etwa einen sogenannten Wafer aus Silizium. Wieder ein anderer Raum dient der Strukturierung der Graphen-Plättchen, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Aktuell erforscht Neumaier Hochfrequenz-Transistoren aus Graphen, wie sie in der Telekommunikation zum Einsatz kommen könnten. «Das Ziel der Flagship-Initiative ist es, Graphen und andere zweidimensionale Materialien von der Grundlagenforschung in die Anwendung zu bringen», sagt Neumaier. Sehr stolz ist der Nanoforscher auf das Beratergremium. «Es besteht unter anderem aus vier Nobelpreisträgern», sagt Neumaier. Darunter sind auch die beiden, die den Hype um Graphen losgetreten haben: Andre Geim und Konstantin Novoselov.

Film (engl.) zum Graphen: http://soz.li/prNs

Publiziert am 30.06.2012