Kohlenstoff kann sehr exotische Formen annehmen: schlauchartige Gebilde, die wegen ihrer winzigen Durchmesser von weniger als einem tausendstel Mikrometer Nanoröhrchen genannt werden, dazu fußballförmige Kohlenstoffkügelchen, von den Fachleuten Fullerene getauft, die aus 94 oder mehr einzelnen Kohlenstoffatomen bestehen und in deren Innerem sich Stoffe oder gar Medikamente transportieren lassen. Als Hoffnungsträger der Materialforschung gilt besonders das Graphen – Blätter aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen. Sie entstehen zum Beispiel aus Graphit, wenn man mit einem Bleistift auf einem Blatt Papier zeichnet. Diese Modifikation des Kohlenstoffs besteht aus extrem dünnen Lagen, die jeweils nur ein Atom dick sind, sonst aber ein verzweigtes Netz aus honigwabenförmigen Kohlenstoffringen bilden, in denen die einzelnen Atome einfach oder doppelt miteinander verbunden sind.

Eine einzelne Schicht dieses Stoffs bezeichnen die Materialforscher als Graphen. Diese Flächen sind extrem stabil. Sie besitzen die höchste Zugfestigkeit, die Forscher je ermittelten; sie ist rund 125-mal höher als die von Stahl. Gleichzeitig leitet Graphen hervorragend Strom.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die Energie der Leitungselektronen im Graphen direkt proportional zu ihrem Impuls ist – was das Material zu einem sehr guten Stromleiter macht. Normalerweise ist die Energie für Teilchen mit einer Ruhemasse proportional zum Quadrat des Impulses. Im Graphen besitzen die Ladungsträger daher die gleiche Energie-Impuls-Beziehung wie Photonen – das sind die Teilchen respektive Quanten des Lichts. Die Elektronen verhalten sich in Graphen also so, als hätten sie keine Ruhemasse. Deswegen bewegen sie sich alle mit nahezu der gleichen hohen Geschwindigkeit. Sie entspricht etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Das führt zu einer formidablen elektrischen Leitfähigkeit, die größer ist als die von Kupfer.

Deswegen träumen viele Wissenschaftler schon davon, winzig kleine elektronische Bauteile aus diesen dünnen Kohlenstoffschichten herzustellen zu können. Die wären extrem leicht, thermisch sehr stabil und flexibel. Doch müssten die Ingenieure das perfekte Kohlenstoffnetz dazu an geeigneten Stellen gezielt verändern: etwa Teile herausschneiden oder einzelne Kohlenstoffatome gezielt durch andere Elemente ersetzen, um im sonst homogenen Graphen künstlich elektronische Bandlücken zu erzeugen, die typisch sind für Halbleiter, die beispielsweise aus Silizium oder Germanium bestehen.

Daran arbeiten viele Wissenschaftler. Wenngleich ihnen das gezielte "Herumbasteln" am Graphen noch nicht einfach genug von der Hand geht, um daraus geeignete industrielle Prozesse zu entwickeln.

Flexible Elektronik aus reinem Kohlenstoff

6,6,6-Graphin
© spektrum.de, nach: Malko, D., Görling, A. et al.: Competition for Graphene: Graphynes with Direction-Dependent Dirac Cones. In: Phys. Rev. Lett. 108, 086804, 2012, fig. 1d
(Ausschnitt)
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Eine Arbeitsgruppe um Andreas Görling von der Universität Erlangen-Nürnberg schlägt nun eine Alternative zu Operationen am Graphen vor: Ließen sich die Kohlenstoffatome dazu bewegen, gleich bei ihrer Herstellung nicht nur Einfach- oder Doppelbindungen einzugehen, sondern ebenso Dreifachbindungen, so müsste die Netzstruktur nachträglich nicht mehr verstümmelt werden. Zur Abgrenzung vom normalen Graphen nennen die Forscher das neue Material Graphin. Das Netzwerk ist ebenso nur eine Atomlage dick und ähnlich stabil wie Graphen. Doch müssen die Kohlenstoffringe oder Poren nicht mehr gleichmäßig sein. Je nachdem, wie viele Dreifachbindungen wo im Netz der Kohlenstoffatome eingebaut sind, können sich Gebilde mit dreieckigen Waben bilden, genauso wie rautenförmige oder hexagonale, wobei letztere typisch sind für herkömmliches Graphen. Wegen der unterschiedlichen Möglichkeiten der Kohlenstoffatome, untereinander Mehrfachbindungen einzugehen, gibt es daher verschiedene Typen von Graphin. Das macht sie so spannend für die Wissenschaft.

Struktur von 6,6,12-Graphin
© spektrum.de, nach: Malko, D., Görling, A. et al.: Competition for Graphene: Graphynes with Direction-Dependent Dirac Cones. In: Phys. Rev. Lett. 108, 086804, 2012, fig. 1d
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Die gewünschten elektronischen Eigenschaften ergäben sich dann ganz natürlich aus den verschieden festen Bindungen zwischen den jeweiligen Kohlenstoffatomen. Zeichnet man beispielsweise die Energiebänder von Graphin in drei Dimensionen auf, erscheinen sie in einem Energie-Impuls-Diagramm als umgedrehte Kegel. Dirac-Kegel nennen Physiker das. In Graphin sind diese nun aber nicht so perfekt wie in Graphen. Sie liegen etwas verschoben zueinander. "Das führt dazu, dass die Leitfähigkeit des Materials im Gegensatz zu Graphen eine Richtungsabhängigkeit aufweist", sagt Görling. Die Arbeitsgruppe vermutet, dass das einer der Gründe sei, warum man durch eine geeignete Wahl der Netzstruktur dem Gebilde bestimmte elektronische Eigenschaften geben kann.

Zumindest haben das Simulationsrechnungen der Arbeitsgruppe gezeigt. Denn bislang gelang es den Wissenschaftlern nicht, ausreichende Mengen von Graphin herzustellen, um daran echte Experimente durchzuführen.

Ferner zeigen die Simulationen, dass selbst Graphin mit den typischen hexagonalen Waben, die denen des Graphens gleichen, gewünschte elektronische Eigenschaften besitzen müssten. Die Arbeitsgruppe um Andreas Görling folgert daher, dass auch viele andere Materialien, die ähnliche Netzstrukturen ausbilden können – Silizium beispielsweise –, entsprechende elektronische Eigenschaften aufweisen könnten.

Membranen zur Meerwasserentsalzung

Nicht auf die elektronischen, sondern auf die mechanischen Eigenschaften des Graphins hat es eine Arbeitsgruppe um Wanlin Guo von der chinesischen Universität Nanjing abgesehen. Sie interessiert sich insbesondere dafür, ob sich Meerwasser mit Membranen aus diesem Wunderstoff entsalzen ließe [1].

Schließlich herrscht in vielen Teilen der Erde Trinkwassermangel. Weit über 90 Prozent des Wassers der Erde ist salzig und damit für Mensch und Tier ungenießbar – ja lebensbedrohlich. Für Ackerbau und Viehzucht sowie zur Deckung ihres Trinkwasserbedarfs müssen Bewohner in Trockengebieten aber Trinkwasser aus dem Meer gewinnen. Das geschieht entweder über Destillation – also Erhitzen des Wassers – oder über einen Prozess, der Osmose genannt wird. Das ist ein Verfahren, bei dem Salzwasser unter hohem Energieaufwand durch Membranen gepresst wird, deren Poren nur einige Nanometer groß sind und die im Wasser gelösten Stoffe zurückhalten.

Auch die Arbeitsgruppe um Wanlin Guo musste sich mit Simulationen begnügen. Ihre Ergebnisse sind ebenfalls bemerkenswert: Verschiedene Graphine könnten nahezu alle Ionen aus dem Meerwasser zurückhalten – einschließlich Natrium, Chlor, Mangan, Kalium sowie Kalzium –, selbst wenn die Salzkonzentration sechsmal höher läge als die von den Ozeanen oder Meeren. Heute schaffen die Geräte maximal 98,5 Prozent.

Wegen der hohen Stabilität der Kohlenstoffnetzwerke könnte die Meerwasserentsalzung zudem bei deutlich höheren Drücken stattfinden: bei bis zu 250 Megapascal statt bei weniger als sechs Megapascal, die heute industriell gefertigte Membranen aushalten. Das führt zu entsprechend hohen Durchflussraten. Graphinmembranen könnten Wasser demnach bis zu 100-mal schneller filtern als heute kommerziell verfügbare Geräte. Die Form der Poren des Graphins hätte dagegen nur geringen Einfluss auf die Durchflussmenge.

Bleibt die Herausforderung, in nächster Zeit größere Mengen an Graphin herzustellen. Denn "die winzigen Proben, die wir bislang herstellen können, zeigen bislang nicht die erwarteten Eigenschaften, die wir von einem großen Netzwerk erwarten", sagt Michael Haley von der University of Oregon in Eugene. Auch Andre Geim von der britischen University of Manchester, der zusammen mit seinem Kollegen Konstantin Novoselov im Jahr 2010 für seine Arbeiten zu Graphen den Physiknobelpreis bekam, ist von den Aussichten, die Graphine erwarten lassen, begeistert: "Es ist ein außergewöhnlich interessantes Material", sagt der Nobelpreisträger und hofft, dass es nicht wieder 60 Jahre dauert, bis Experimentatoren das Material in ausreichender Menge herstellen können. So geschehen bei Graphen, das erst im Jahr 2004 in befriedigender Menge produziert werden konnte, obwohl Theoretiker viele Eigenschaften schon sechs Jahrzehnte zuvor haben voraussagen können.