Hintergrund | 12.10.2011 | Drucken | Teilen

Flaggschiff-Initiative

Erfolgszwang für die Superfolie

Eine atomdünne Folie aus reinem Kohlenstoff verspricht Revolutionen in zahllosen Feldern: Das Graphen soll endlich praxistauglich werden - im Rahmen der europaweiten Flaggschiff-Initiative. Sollte "GRAPHENE" den Zuschlag erhalten, winken eine Milliarde Euro Fördergelder.
Wundervolles Folienwunder
Wunder gibt es keine in der Wissenschaft, Wundermaterialien offensichtlich schon. Graphen wird dieses Etikett jedenfalls nicht mehr los – schon gar nicht, seit vergangenes Jahr der Physik-Nobelpreis für die Erforschung des verheißungsvollen Stoffs vergeben worden ist. Der Kohlenstoffableger, der aus einer einzigen Atomlage besteht, weckt einfach zu große Hoffnungen: Er soll die Computerwelt auf den Kopf stellen, er soll neue superfeste Materialien möglich machen, er soll genauso allgegenwärtig werden wie heutzutage das Plastik.

Europaflagge

Flaggschiff-Initiative

spektrumdirekt stellt Ihnen alle Finalisten in der Bewerbung um die milliardenschwere Förderung im Rahmen der EU-Flaggschiff-Initiative vor.

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spektrumdirekt.de/flaggschiffe
Kein Wunder, dass unter den sechs Bewerbern für die so genannte Flaggschiff-Initiative der EU-Kommission auch ein Projekt zu finden ist, das sich ausschließlich dem Graphen widmet. Sollte es ausgewählt werden, können sich seine Forscher zehn Jahre lang über Fördergelder in einer Gesamthöhe von bis zu einer Milliarde Euro freuen. Genug Zeit, um das Potenzial des vermeintlichen Wundermaterials unter Beweis zu stellen. Oder genug Zeit, um grandios zu scheitern – wie Graphenkritiker einwenden, die den Stoff für überbewertet und wenig praxistauglich halten.

Die meisten Superlative

Jari Kinaret, Festkörperphysiker an der schwedischen Chalmers-Universität in Göteborg und Projektleiter des Flaggschiff-Kandidaten, lässt solche Einwände nicht gelten. "Graphen ist wahrscheinlich das Material mit den meisten Superlativen", sagt er. So leiten die in einem flachen Sechseck angeordneten Kohlenstoffatome – eine Miniaturvariante des Hasendrahts – den Strom weitaus besser als Silizium. Die 1000-mal höhere Beweglichkeit ihrer Elektronen verspricht Chips mit deutlich höherer Taktfrequenz und einer weit niedrigeren Leistungsaufnahme. Gleichzeitig hat Graphen die beste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Materialien. Chiphersteller, die aktuell mit der Abwärme ihrer immer dichter gepackten Schaltkreise zu kämpfen haben, lässt das aufhorchen.

Wundervolles Folienwunder
  Wundervolles Folienwunder
Die nur eine Atomlage dünne Schicht aus Kohlenstoffatomen weist einige hervorragende Eigenschaften auf – zumindest theoretisch, denn bislang gelang nur in Ausnahmefällen eine Übertragung der Laborergebnisse in eine praxisnahe Anwendung. Die EU-Milliarde soll es nun richten.
Seine immens festen Kohlenstoffbindungen machen den Wunderstoff zudem zum stärksten aller bekannten Materialien. Er gilt als 200-mal so reißfest wie Stahl. Physiker der New Yorker Columbia University haben berechnet, dass eine Frischhaltefolie aus Graphen nur dann von einer Bleistiftspitze durchbohrt werden könnte, wenn ein Elefant auf dem Schreibgerät balanciert. Praxisnäher als Frischhaltefolien dürften allerdings neue, extrem feste Verbundwerkstoffe im Auto- und Flugzeugbau sein.

Graphen ist zudem weit gehend transparent, was es für den Einsatz in Touchscreens und Solarzellen prädestiniert. Es ist flexibel genug, um in Kleidungsstücken oder faltbaren Smartphones verarbeitet werden zu können; Skizzen solch visionärer Geräte gibt es bei den Handyherstellern schon zuhauf. Außerdem verändert Graphen seine Leitfähigkeit, wenn es mit anderen Molekülen in Kontakt kommt – ideal für empfindliche Sensoren.

In die Breite forschen

Um sämtliche Superlative will sich das Flaggschiff-Projekt, das mehr als 400 Graphenforschungsgruppen in Europa vereint, kümmern. Eine Fokussierung sei nicht sinnvoll, sagt Jari Kinaret. Manche Eigenschaften würden sicherlich in die Irre führen, andere könnten bislang undenkbare Möglichkeiten eröffnen. "In der Forschung kann man nie exakt vorhersagen, was passieren wird", sagt Kinaret. "Umso wichtiger ist es, einen breiten Ansatz zu verfolgen und verschiedene Wege einzuschlagen."

Graphen schleppt allerdings eine gewaltige Hypothek mit sich herum: Es besteht aus Kohlenstoff, und der hat die Fachwelt bereits einige Male enttäuscht: Fullerene, die 1985 entdeckten Fußballmoleküle aus Kohlenstoff, sollten schon damals die Welt verändern. Sie wartet noch heute darauf. Auch Kohlenstoffnanoröhrchen, im Prinzip eine aufgerollte Variante des Graphens, sind in den vergangenen Jahren mit reichlich Vorschusslorbeeren bedacht worden. Ihre Einsatzmöglichkeiten sollen von künstlichen Muskeln über extrahelle Bildschirme bis zu Weltraumfahrstühlen reichen. Erfüllt haben sie die hohen Erwartungen bislang nicht.

Mangelnde Praxisnähe

Warum sollte es beim Graphen, das seine Superlative bislang allenfalls im Labormaßstab unter Beweis stellen konnte, anders sein?

"Es stimmt, wir haben einen Hype in der Karbontechnologie", sagt Heinrich Kurz, Geschäftsführer der Aachener AMO GmbH, des einzigen deutschen Vertreters im Flaggschiff-Konsortium. Der Grund seien einige "vorschnelle, nicht sehr durchdachte" Äußerungen von Forschern gewesen, die die Medien bereitwillig aufgegriffen hätten, meint Kurz. Viele Wissenschaftler könnten zwar große Erfolge in der Grundlagenforschung vorweisen, hätten aber wenig Einblick in den Praxiseinsatz.

Gerade bei Kohlenstoffnanoröhrchen ist das aber unabdingbar:
"Es ist kein Hype. Es ist eine Transformation."
(Heinrich Kurz)
Die winzigen Schläuche kommen in verschiedenen Formen und Varianten vor, die nur zum Teil als elektronische Komponenten geeignet sind. Für den Einsatz in Transistoren müssen daher zunächst die passenden Nanoröhrchen ausgewählt und ausgerichtet werden. Ein unattraktiver Prozess.

"Beim Graphen ist das etwas anderes", sagt Heinrich Kurz. Der flache Kohlenstoff lasse sich mit denselben mikroelektronischen Technologien bearbeiten, die sich seit Jahrzehnten beim Silizium bewährt haben. Auch das Fehlen einer so genannten Bandlücke stellt laut Kurz kein unüberwindbares Hindernis dar: Bei einem Halbleiter wie Silizium sorgt diese Lücke dafür, dass ein Transistor ohne angelegte Spannung keinen Strom fließen lässt. Das reduziert den Energieverbrauch.

Programmierter Durchbruch

Im Fall des Graphens müssen die Forscher stattdessen zu Tricks greifen – zum Beispiel zu einer elektrostatischen Vorspannung. Damit gelang es der AMO GmbH Anfang 2007, den ersten Transistor aus Graphen zu bauen. Dessen Bandlücke reicht zwar noch längst nicht an Silizium heran, aber sie ist ein Anfang. Für Heinrich Kurz ist der Graphentransistor daher vor allem ein Zeichen, dass der technische Durchbruch "per se programmiert" ist. "Es ist kein Hype", sagt Kurz, "es ist eine Transformation."

Die großen Chiphersteller sehen das anders – zumindest offiziell. In den Ausblicken, die Firmen wie Intel von Zeit zu Zeit der Öffentlichkeit präsentieren, ist der flache Kohlenstoff nur eine von vielen Optionen. Viel wichtiger, sagt Michael Mayberry, Leiter der Bauteilforschung bei Intel, seien in Zukunft so genannte III-V-Materialien. Dabei sollen die rechten und die linken Nachbarn des Siliziums aus dem Periodensystem zu einem neuartigen Material zusammengebracht werden. Auch IBM gibt sich zurückhaltend. "Die Vorstellung, Graphen könnte eines Tages Silizium ersetzen, fällt uns ziemlich schwer", erklärte der leitende IBM-Forscher Phaedon Avouris Mitte Mai im Gespräch mit der britischen BBC.

Formenvielfalt aus Graphen
  Formenvielfalt aus Graphen
Ein Ausgangsstoff – verschiedene Produkte: C60-Fullerene ("Buckyballs"), Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphit entstehen aus Ausschnitten aus der dünnen Folie. Auch "Nanobänder", lange Streifen von wenigen Atomen Dicke, finden in der graphenbasierten Elektronik Verwendung.
"Firmen wie Intel oder IBM sagen mit Absicht, dass Graphen eher uninteressant ist, arbeiten intern aber an großen Forschungsprojekten", behauptet dagegen Heinrich Kurz. In der Tat hat IBM erst im Juni im Fachmagazin "Science" einen integrierten Schaltkreis mit einem 150 Gigahertz schnellen Graphentransistor vorgestellt – viermal so schnell wie der beste Transistor auf Siliziumbasis. Ein Tempolimit für das neuartige Material, so die damalige Auskunft, gebe es nicht.

Nur: Wenn Firmen wie Intel und IBM bereits jetzt viel Geld in die Graphenforschung stecken, warum braucht Europa dann noch ein eigenes Projekt mit öffentlichen Fördermitteln?

Katalytische Wirkung

"Wir stehen vor einem klassischen Henne-Ei-Problem", sagt Jari Kinaret. Graphenproduzenten könnten den wirklichen Bedarf nicht abschätzen. Sie schreckten deshalb davor zurück, große Mengen des Stoffs zu produzieren. Die Entwickler von Anwendungen würden dagegen erst dann aktiv werden, wenn sie sicher sein könnten, dass Graphen in der benötigten Quantität und Qualität zur Verfügung steht.
"Die Graphentechnologie wird kommen, daran besteht kein Zweifel."
(Jari Kinneret)
"Wenn niemand ein Risiko eingehen will, ist öffentliche Förderung ein guter Katalysator. Dann können Universitäten und Unternehmen diese Lücke gemeinsam schließen", sagt Kinaret.

Andere Länder versuchen das bereits: Rund 600 Millionen Dollar wollen Korea, Singapur und Japan in den kommenden zehn Jahren in die Graphenforschung investieren – allen voran in die Entwicklung neuartiger Bildschirme. So hat der koreanische Hersteller Samsung jüngst den Prototyp eines flexiblen Touchscreens mit einer Größe von 25 Zoll vorgestellt. Darin ersetzt Graphen das bislang verwendete Indiumzinnoxid, das auf Grund der enormen Nachfrage zuletzt immer seltener und dadurch immer teurer geworden ist. Es soll nur der Anfang sein. Bereits 2014, so die hochtrabenden Ankündigungen, könnten die ersten Produkte auf den Markt kommen.

Ein europäisches Flaggschiff-Projekt wird allerdings frühestens 2013 starten. Zu spät? "Wir können nur hoffen, dass wir nicht zu weit abgehängt werden", sagt Heinrich Kurz. Jari Kinaret gibt sich selbstbewusster. "Die Graphentechnologie wird kommen, daran besteht kein Zweifel", sagt der Projektleiter. "Letztlich geht es bei der Flaggschiff-Entscheidung einzig um die Frage, ob Europa dabei eine führende Rolle spielen will – oder ob es nur zuschauen möchte."

Es wäre kein Wunder, wenn die EU-Kommission das bei der Vergabe der Flaggschiff-Fördergelder im kommenden Jahr ähnlich sehen würde.
© Spektrum.de
Graphen

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