Die Bleistift-Revolution

Rebecca Boyle6.05.2013Wissenschaft

Touchscreens im Wohnzimmerfenster, Augenlicht für Blinde, das Ende der Wasserknappheit: Graphen ist so dünn, dass man es kaum wahrnimmt. Ein Material mit der Fähigkeit, die Welt zu verändern.

Viel hat die Forschung bereits versprochen: von fliegenden Autos bis zur kalten Fusion. Lauter große Ideen, die so nie Realität wurden. Ein neues Material könnte alles ändern – robuster als Diamant, flexibler als Gummi, dichter als Glas, leitfähiger als Kupfer und Silizium. Es heißt Graphen und kann die größte Errungenschaft seit der Erfindung von Plastik werden. Zumindest ist das die Hoffnung von Wissenschaftlern, privaten Investoren und Regierungen, die hohe Summen in dessen Erforschung investieren.

Was ist dieses Wundermittel? Graphen ist das kleinste Teilchen, das in fester Form existiert, und kann unvorstellbar dünne Schichten bilden. Es besteht aus Kohlenstoffatomen und gleicht stark vergrößert Maschendraht. Die mit dem Stoff assoziierten Eigenschaften bergen derart große Möglichkeiten, dass die EU-Initiative „Future and Emerging Technologies Flagship“ (FET) in den nächsten zehn Jahren mehr als eine Milliarde Euro an Forschungsgeldern bereitstellt.

Tausendmal dünner als menschliches Haar

Erstmals isoliert wurde Graphen, als 2004 zwei Physiker in Manchester mit Klebeband hantierten. Andre Geim und Konstantin Novoselov wurden für ihre Arbeit 2010 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Was sie taten, klingt denkbar simpel: Von einer Bleistiftlinie zogen sie mit einem Stück Klebeband eine Schicht ab. Kleine Grafitsplitter blieben am Klebeband haften. Diesen Prozess wiederholten sie immer und immer wieder, bis schließlich Splitter zurückblieben, die eintausend Mal dünner waren als ein menschliches Haar. Selbst stärkste Mikroskope konnten sie nicht sichtbar machen: Graphen.

Das Material ist so dünn, dass es rein technisch nur in zwei Dimensionen existiert. Die Elektronen der Kohlenstoffatome sind derart eingepackt, dass sie sich nur von einer Seite zur anderen bewegen können. Dadurch fließen Elektronen im Graphen sogar schneller als in Silizium, dem Hauptbestandteil von Computer-Chips verwendet wird. Diese ungewöhnlichen elektronischen und chemischen Eigenschaften machen Graphen so vielversprechend.

Geim, Novoselov und weitere Forscher rechnen damit, dass Graphen bereits ab 2016 in kommerziellen Produkten verwendet werden kann. Die erste Anwendung werden wohl biegbare Displays sein. Touchscreens, dünn wie Papier, könnten Videos und Bilder anzeigen und einfach zusammen gerollt werden. Oder stellen Sie sich vor, die neuesten Nachrichten auf „smarten” Fenstern in Ihrer Wohnung zu sehen. Ebenso kann Graphen für Hochfrequenz-Antennen der nächsten Generation genutzt werden.

Neben der Elektronik verspricht Graphen ebenfalls, Lacke, Sensoren, Verbundstoffe, Speicher und sogar medizinische Produkte zu revolutionieren. Graphen ist lichtdurchlässig und blockt gleichzeitig jedes Gasatom. Das macht es zu einer effektiven Beschichtung für Verpackungen oder Schutzhüllen aller Art. Graphen lässt sich als transparente Elektrode für Solar-Panels verwenden, um elektrische Ladung aus Sonnenlicht zu gewinnen, oder als Beschleuniger in Brennstoffzellen.

„Es gibt in der Wissenschaft keinen Vergleichsfall.”

Es kann sogar benutzt werden, um Meerwasser zu entsalzen, indem man Graphen-Schichten so gestaltet, dass sie nur Wassermoleküle durchlassen, die Salzmoleküle aber festhalten. Wegen seiner submikroskopischen Größe und chemischen Reinheit kann Graphen eingesetzt werden, um medizinische Wirkstoffe in den Körper zu transportieren oder wichtige Moleküle wie Glukose, Cholesterin oder Blutproteine aufzuspüren. Eines Tages könnte Graphen zu lichtsammelnden Elektroden für künstliche Netzhäute verarbeitet werden, die blinde Menschen wieder sehen lassen.

Beinahe jede Oberfläche kann mit Graphen beschichtet werden und ihr so völlig neue Eigenschaften verleihen. Dabei hinterlasse es kaum Spuren, sagt Michael Strano, Professor für chemische Verfahrenstechnik am Massachusetts Institute of Technology (MIT): „Wenn man Glas mit einer dünnen Schicht Kohlenstoffatome belegt, hat man die Oberfläche faktisch kaum verändert. Das Graphen ändert sie jedoch in entscheidender Weise: Es wird leitfähig und zu einer Gasbarriere.”

Graphen wird nicht alle technologischen Probleme lösen können. Zunächst ist es weiterhin aufwändig und teuer zu entwickeln. Zudem können seine einzigartigen Fähigkeiten theoretisch zu unerwarteten Problemen führen. Stranos Forschungsgruppe fand beispielsweise heraus, dass die Wirkung von Graphen stark von der jeweiligen Oberfläche abhängt, auf die es aufgetragen wird – ein Problem, das gelöst werden muss, wenn Graphen effektiv in der Elektronik und anderen Bereichen eingesetzt werden soll.

Einig sind sich die Forscher aber darüber, dass der Stoff Unglaubliches bewirken wird. Graphen sei einzigartig, sagt Strano. „Es gibt in der Wissenschaft keinen Vergleichsfall.”

_Übersetzung aus dem Englischen_

_Anmerkung der Redaktion: In einer früheren Version dieses Artikels wurde Silizium fälschlicherweise als Material mit einer „guten Leitfähigkeit“ bezeichnet._

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