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Hiobsbotschaft für Graphen : Wundermaterial mit Handicap

Graphen, das extrem dünne Nano-Material mit zweidimensionaler Kohlenstoffstruktur, sieht gewöhnlichem Kohlenstoffstaub zum Verwechseln ähnlich. Bild: XG Sciences/Ford-Werke GmbH/obs

Wegen seiner besonderen Materialeigenschaften hochgepriesen, haben die zweidimensionalen Kohlenstoffschichten noch immer nicht den Sprung in die Anwendung geschafft. Australische Forscher haben jetzt den Grund dafür gefunden: Silziumverunreinigungen.

          Graphen gilt seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 als das Wundermaterial der Werkstoffforschung schlechthin. Denn obwohl es hauchdünn ist und wie Graphit nur aus Kohlenstoffatomen besteht, ist es viel reißfester als Stahl. Elektrischen Strom und Wärme leitet es um das Zehnfache besser als Kupfer. Zudem ist es extrem biegsam und obendrein transparent. Es lässt sich in einen Halbleiter, Magneten und nun sogar in einen Supraleiter verwandeln. Flexible Displays, empfindlichere Sensoren, bessere Batterien, Superkondensatoren und leichtere Flugzeug- und Automobilteile sowie leistungsfähigere elektronische Bauteile verspricht man sich von dem zweidimensionalen Material.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Und noch immer vergeht keine Woche, in der nicht über eine weitere verblüffende Eigenschaft oder eine neue potentielle Anwendung berichtet wird. Ob Medizin, Materialforschung, Elektronik, Sensorik, Energie und Umwelttechnik, ja sogar Sportschuhe und Textilien – kein Gebiet, das nicht von den Eigenschaften des Graphens profitieren könnte, liest man auf der Internetseite der europäischen Flaggschiff-Initiative, die seit fünf Jahren alle Forschungsaktivitäten zum Thema Graphen in Europa koordiniert und noch bis 2023 mit einer Milliarde Euro fördert.

          Computermodell: Das Silizium (orange)  behindert die molekulare Wechselwirkung der Kohlenstoffatome (grüne Kugeln) des Graphens mit  anderen Atomen, dargestellt als rote Kugeln.

          Bisweilen wird Graphen schon als das Silizium der Zukunft tituliert. Doch der Halbleiter könnte dem Wundermaterial möglicherweise zum Verhängnis werden. Materialforscher von der University of Melbourne haben nämlich entdeckt, dass kommerziell erhältliches Graphen mit beträchtlichen Mengen an Silizium verunreinigt ist. Und dieser „Schmutz“ erkläre, wie Dorna Esrafilzadeh und ihre Kollegen in den „Nature Communications“ schreiben, warum viele der gemessenen Eigenschaften sich widersprächen und häufig weit hinter den theoretisch prognostizierten Werten zurückblieben.

          Droht Graphen ein trostloses Nischendasein?

          Das Ärgerliche sei, dass man die Verunreinigungen nicht mit Verfahren, wie sie standardmäßig zur Qualitätsüberprüfung verwendet würden, aufspüren könne. Zudem käme die Kontamination mit den bei der Herstellung verwendeten Lösemitteln in das Endprodukt oder sei sogar schon im Ausgangsmaterial, dem Graphit, vorhanden. Nur mit aufwendigen und teuren Reinigungsprozessen könnte der störende Halbleiter beseitigt werden.

          Die australischen Forscher sehen in den Verunreinigungen auch den eigentlichen Grund dafür, warum Graphen noch immer nicht den Sprung in die breite Anwendung geschafft hat, obwohl alle Wege dafür geebnet scheinen. Die Nachricht aus Melbourne dürfte nicht wenige Forscher kalt erwischen, die sich derzeit in Wien auf Einladung der europäischen Flaggschiff-Initiatoren aus Brüssel treffen und endlich die Früchte ihrer Forschungsarbeit ernten wollen.

          Doch damit dürfte es so schnell nichts werden. So könnte Graphen das gleiche Schicksal drohen wie den fußballförmigen Fullerenen und den Nanoröhrchen zuvor. Einst hochgelobt, führen diese besonderen Kohlenstoff-Modifikationen nur noch ein Nischendasein. Lediglich Graphit in Bleistiften, vor allem aber Diamant als härteste und kostbarste Form des Kohlenstoffs, haben alle „Hypes“ überstanden.

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