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Graphen - Wundermaterial der Zukunft

Chemie © Nebuto Fotolia Graphen gilt als Wundermaterial der Zukunft. Seine Entdeckung brachte zwei Physikern bereits den Nobelpreis ein - nur sechs Jahre nach der Veröffentlichung ihrer Ergebnisse. Ähnlich euphorisch reagieren Wirtschaft und Politik auf das neue Material. Ein milliardenschweres Programm der Europäischen Union ist seiner Erforschung gewidmet. Graphen verfügt über chemische und physikalische Eigenschaften, die bahnbrechende Verbesserungen für eine Vielzahl von Anwendungen versprechen. Möglich scheinen neue Baumaterialen, drastisch schnellere Schaltkreise, Autobatterien und Akkus mit sehr schnellen Ladezeiten.
Graphen ist ein Material aus Kohlenstoff, mit einer besonderen Struktur: Die Struktur von Graphen ist nahezu vollständig zweidimensional. Die Kohlenstoffatome bilden eine einzige Schicht. Jedes Atom geht dabei eine Bindung mit drei anderen Kohlenstoffatomen ein, daraus entsteht eine Struktur die einer Bienenwabe ähnelt. Zweidimensionale Strukturen von Kohlenstoffverbindungen wurden bereits in der 1960er Jahren erforscht. Aus dieser Zeit stammt auch der Name "Graphen". Allerdings sind solche Strukturen thermodynamisch zumeist instabil. Daher spielten sie lange Zeit nur eine Rolle in der theoretischen Physik. Im Jahr 2004 meldeten Andre Geim und Konstantin Novoselov, dass es ihnen gelungen war, freie, einschichtige Graphenkristalle darzustellen. Sie konnten einige aufsehenerregende Eigenschaften dieses Materials beschreiben. Dafür erhielten sie 2010 den Nobelpreis für Physik.

Graphen ist ein außerordentlich steifes und festes Material. Seine Zugfestigkeit ist 125-mal höher als die von Stahl. Gleichzeitig ist es leicht und chemisch sehr stabil. Es kann mechanisch hoch belastet werden und ist zugleich dehnbar. Es ist außerdem nahezu transparent (durchsichtig) im sichtbaren Bereich des Lichts und leitet Wärme sehr gut. Besonders interessant ist seine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Bis zu 200-mal schneller bewegen sich Elektronen in einem Graphenkristall, verglichen mit dem heute verwendeten Silicium. Damit könnte sich Graphen als neues Halbleitermaterial durchsetzen. Denn für leistungsfähigere Chips haben die Hersteller über Jahrzehnte hinweg ihre Silicium-Transistoren immer weiter verkleinert. Diese Strategie stößt zunehmend an physikalische Grenzen. Graphen bietet eine Alternative, weil seine drastisch höhere Elektronenmobilität sehr viel größere Leistungen ermöglicht. 300 bis 1.000 Gigahertz werden für Chips aus Graphen als erreichbare Taktfrequenzen genannt. Es ist vor allem die Kombination der Eigenschaften, welche das enorme Interesse an der Weiterentwicklung von Graphen erklärt. Die Möglichkeiten scheinen unbegrenzt: Von der Herstellung superschneller Chips über hochfeste Baumaterialien, bis hin zu transparenten Displays, die sich problemlos aufrollen oder falten lassen.

In welchen Zeiträumen sich diese Visionen in reale Produkte umsetzen lassen, muss sich noch erweisen. Aktuell 2013 lässt sich Graphen noch nicht im technischen oder industriellen Maßstab herstellen. Das ursprüngliche Verfahren der beiden Nobelpreisträger war eher einfach. Durch Klebeband lösten sie Graphit aus einem Block. Das Klebeband drückten sie auf Silicium-Wafer und zogen es erneut ab. Nach dem Spülen der Wafer bleibt ein dünner Graphitfilm zurück. An einigen Stellen war dieser Film so dünn, dass sich hier Proben von Graphen entnehmen lassen. Das Verfahren war sehr zeitaufwendig und wenig ergiebig.

Inzwischen existieren weitere Techniken, wobei deutsche Forschungseinrichtungen weltweit führend sind. Ihnen gelang in 2012 eine bahnbrechende Kombination aus leitfähiger Trägerstruktur und Graphenschicht. Auch bei der chemischen Erzeugung ausgedehnter Graphenschichten haben deutsche Forscher wichtige Fortschritte erzielt. Sie dampfen dafür Benzolmoleküle auf eine kalte Oberfläche. Bei richtiger Dosierung entsteht eine einlagige Schicht. In dieser Schicht werden hochreaktive Zwischenprodukte erzeugt, die sich schließlich zum gewünschten Graphen verbinden. Weltweit werden immer neue Patente und Forschungsergebnisse veröffentlicht, die sich mit der Produktion und der Beherrschbarkeit des Materials befassen. Die elektrischen Schalteigenschaften von Graphen lassen sich beispielsweise immer präziser steuern. Je mehr sich die Forscher mit dem Wundermaterial befassen, desto deutlicher werden weitere Einsatzmöglichkeiten. Der Werkstoff kann als Katalysator das sehr teure Platin und andere Seltenen Erden ersetzen. In eine ähnliche Richtung zielen Versuche für einen Einsatz als Wasserfilter in Nanoröhrchen. Auch bei der Weiterentwicklung der Akkutechnik, auch in Autobatterien, spielt Graphen sehr eine wichtige Rolle.
Graphen wird in Reinräumen nach der Scotch-Tape-Methode hergestellt.



 

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