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Nobelpreise 2010: Die (Wieder-)Entdeckung der Wunderfolie

Graphen - die dünnste Folie der Welt - ist zwar schon lange bekannt, doch erst 2004 machte eine Publikation diese Form des Kohlenstoffs unter Wissenschaftlern populär und verspricht innovative Anwendungen.
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Kohlenstoff ist nicht gleich Kohlenstoff. Je nachdem wie sich die Atome darin anordnen, kann der Preis beträchtlich schwanken. Graphit etwa, in dem sie sich in Schichten von hexagonaler Struktur anordnen und in solchen Ebenen übereinanderstapeln, ist beispielsweise in jedem Bleistift zu finden – und dementsprechend erschwinglich. Erst im Diamantgitter versammelt, erreicht Kohlenstoff seine wertvollste Gestalt.

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Andre Geim und Konstantin Novoselov
Während diese beiden Minerale schon altbekannt sind, stießen Wissenschaftler in den vergangenen Jahren auch auf weitere interessante Formen des Kohlenstoffs. In den 1980er Jahren zum Beispiel auf Fullerene; das bekannteste unter ihnen besteht aus 60 Kohlenstoffatomen und erinnert stark an einen Fußball. Weniger als zehn Jahre später entdeckte man nanometergroße Röhrchen aus diesem Element – zusammengerollt aus einer einzelnen Graphitschicht, nur eine Atomlage dick.

2004 erweiterte sich die Palette um das Material Graphen – wieder nur eine Monolage Graphit, dieses Mal aber in glatter Ausführung. Andre Geim und Konstantin Novoselov, derzeit beide an der University of Manchester, gelang es, diese zweidimensionale Form des Kohlenstoffs erstmals gezielt herzustellen und zu untersuchen. Durch die Publikation ihrer Ergebnisse weckten sie das Interesse zahlreicher Forschergruppen und trieben so die Entwicklung auf diesem Gebiet voran. Hierfür verleiht ihnen die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften nun, sechs Jahre später, den Physik-Nobelpreis.

Geduld und Geschick

Schon vorher hatten sich Forscher darin versucht, enorm dünne Graphitschichten herzustellen  – wegen des einfachen Aufbaus von Graphen spekulierte man bereits auf interessante Eigenschaften. Theoretische Arbeiten bestätigen diese Vermutung seit mehr als 60 Jahren. Verschiedene Verfahren sollten auch in der Praxis zum Erfolg führen: So zog man beispielsweise mit gewöhnlichem Klebeband möglichst dünne Lagen von einem größeren Stück Graphit ab. Kein leichtes Unterfangen, denn ein einziger Millimeter des Minerals besteht bereits aus rund drei Millionen aufeinandergestapelten, leicht gegeneinander versetzten Graphenschichten.

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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.
Geim und Novoselov perfektionierten, wohl nicht zuletzt mit viel Geduld, diese Technik und konnten tatsächlich einzelne, mikrometerdicke Graphitschichten isolieren. Um das fragile Gebilde zu erhalten, drückten sie den Klebestreifen auf eine dünne Lage aus Siliziumdioxid, aufgebracht auf einer Siliziumscheibe. Im nächsten Schritt zogen sie das Klebeband ab – und im Idealfall blieben winzige Graphenflocken im SiO2 zurück.

Ob der Versuch geglückt war, prüften die beiden Physiker unter einem Mikroskop. Je nach Dicke der abgezogenen Graphitschicht und damit unterschiedlichen Weglängen für das einfallende Licht ergeben sich andere Interferenzfarben – ähnlich wie auf einer Seifenblase. Auf diese Weise ließ sich das Graphen schnell identifizieren und stand erstmals in ausreichenden Mengen für Analysen bereit. Viele Kritiker hatten das zuvor für unmöglich gehalten: Ihnen zufolge hätten sich die fragilen Kohlenstoffgebilde sofort aufrollen oder zerbrechen sollen.

Wunderfolie Graphen

Die beiden Physiker legten Elektroden an ihre Graphenproben an und stellten so die bemerkenswerten elektronischen Eigenschaften von Graphen, die bisher ja nur in der Theorie existierten, unter Beweis. Ausgelöst durch diese ersten Versuche folgte in den vergangenen Jahren eine wahre Flut an Studien, die immer mehr Besonderheiten der "Wunderfolie" zu Tage förderten. Während nur nanometerdicke Lagen des Materials noch halbleitende Eigenschaften aufweisen, leitet Graphen den elektrischen Strom auffallend gut – unter den richtigen Umständen sogar besser als Kupfer. Die Ladungsträger können sich nahezu ungestört bewegen: Bei Raumtemperatur legen sie Mikrometer zurück, ohne gestreut zu werden. Die freie Weglänge in Metallen ist tausendmal kürzer.

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Graphen | Was aussieht wie eine lockere Stoffbahn, ist in Wahrheit Graphen – eine einzelne Schicht Graphit.
Darüber hinaus bewegen sich die Elektronen in Graphen auch viel schneller als in gewöhnlichen Leitern. Die Ladungsträger verhalten sich nahezu wie masselose Teilchen und bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 0,3 Prozent der Lichtgeschwindigkeit (zirka eine Million Meter pro Sekunde). Aus diesem Grund lassen sie sich mit ähnlichen Gleichungen beschreiben wie relativistische Quantenphänomene, die sonst nur im Weltall oder in riesigen Teilchenbeschleunigern und nicht in handlichen Experimenten zu finden sind.

Neben Strom leitet Graphen außerdem Wärme ausgesprochen gut. Aber damit nicht genug, denn auch mechanisch trumpft Graphen mit ausgezeichneten Qualitäten auf. Es ist das dünnste und dafür härteste bislang bekannte Material – übertrifft sogar Stahl und Diamant. Es besitzt eine hohe Zugfestig- und Biegsamkeit: Das Netzwerk aus Kohlenstoffatomen lässt sich um 20 Prozent strecken, ohne Schaden zu nehmen. Und es ist fast durchsichtig, nur zwei Prozent des Lichts werden absorbiert, dennoch lässt es kein Gas durch.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Wissenschaftler erhoffen sich auf Grund dieser einzigartigen Eigenschaften eine Menge innovativer Anwendungen. Etwa Transistoren, die kleiner und schneller sind als heutige Modelle aus Silizium – hier wurden bereits die ersten Erfolge verbucht. Auch könnte Graphen zu enorm empfindlichen Sensoren führen, die sogar einzelne Moleküle ausmachen. Dass das im Prinzip funktioniert, zeigten Novoselov und Kollegen 2007.

Da Graphen durchsichtig ist und gleichzeitig den elektrischen Strom leitet, würde es sich auch für transparente Touchscreens oder vielleicht sogar Solarzellen eignen. Erstere haben Wissenschaftler kürzlich in der Rohversion bereits vorgestellt. Kombiniert mit anderen Materialien, wie etwa Kunststoffen, könnte Graphen zudem zu neuen Verbundstoffen führen, die leichter und belastbarer sind als heutige. Die Liste an möglichen Anwendungen ist lang. Und trotz erster Fortschritte dürfte es der Weg zu praktisch nutzbaren Graphenprodukten wohl ebenfalls noch sein.
40. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 40. KW 2010

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