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Hauchdünner Kohlenstoff : Die größten Wunder sind eine flache Sache

Die Zeichnung zeigt ein Modell der dünnsten Membrane der Welt, die aus Kohlenstoff hergestellt ist. Die Physiker flochten eine Art Maschendraht aus einer einzelnen Atomlage Kohlenstoff, so genanntem Graphen. Bild: Jannik Meyer/University of Manchester

Was aus Kohlenstoff alles werden kann, wenn es nicht gerade verbrannt wird und die Luft verpestet: Der Stoff Graphen prägt mit immer neuen Varianten die Technik.

          Diamant und Graphit waren lange Zeit die einzig bekannten Formen von Kohlenstoff. Das änderte sich Mitte der achtziger Jahre, als Wissenschaftler fußballförmige Moleküle aus Kohlenstoff, die Fullerene, synthetisierten. Kaum hatte man begonnen, die Eigenschaften der Fullerene systematisch zu studieren, berichteten 1991 japanische Forscher bereits von einer weiteren stabilen Modifikation des Kohlenstoffs: die zylinderförmigen Nanoröhrchen. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser nur nanometergroßen Gebilde waren so vielseitig, dass das Interesse an den Fußballmolekülen rasch nachließ. Ein ähnliches Schicksal hat inzwischen die Kohlenstoff-Nanoröhrchen selbst ereilt. Im Jahr 2004 entdeckten Andre Geim und Konstantin Novoselov an der University of Manchester eine weitere Variante von Kohlenstoff: das Graphen. Es zeigte mechanische und elektrische Eigenschaften, die man von keinem anderen Stoff her kannte.

          So sehen Nobelpreisträger aus: Im Jahr 2010 wurden die Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov für die Erforschung  von Graphen - einer Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur - ausgezeichnet
          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Bei Graphen handelt es sich um eine zweidimensionale Substanz. Die Kohlenstoffatome sind ähnlich wie beim Graphit in einer Wabenstruktur miteinander verknüpft und bilden so ein riesiges ausgedehntes Netz, das lediglich eine Atomlage dick ist. Die Herstellung von Graphen galt lange als unmöglich, weil man annahm, dass es instabil ist und sofort verklumpt. Dank ausgeklügelter chemischer und epitaktischer Verfahren lassen sich inzwischen größere Mengen produzieren. Auf Graphen, das sogar Forscher als Wundermaterial bezeichnen, ruhen große Hoffnungen. Denn obwohl es hauchdünn ist, ist es viel reißfester als Stahl. Es leitet elektrischen Strom und Wärme besser als Kupfer und ist äußerst biegsam und obendrein transparent.

          Das Material der Wahl

          Die Europäische Union hat im Jahre 2013 die Erforschung und Nutzbarmachung von Graphen zu einem ihrer Flaggschiffprojekte gewählt, die zehn Jahre lang mit jeweils einer Milliarde Euro gefördert werden. Ob Medizin, Materialforschung, Elektronik, Sensorik, Energie und Umwelttechnik - es gibt fast kein Gebiet, das nicht von den Eigenschaften des Graphens profitieren könnte, so liest man es auf der Internetseite der Initiative (http://graphene-flagship.eu), die alle Aktivitäten in Europa koordiniert. Flexible Displays, schnellere und empfindlichere Sensoren, bessere Batterien und leichtere Fahrzeug- und Flugzeugteile sowie leistungsfähigere elektronische Bauteile verspricht man sich von den Graphitfocken.

          Wie geknitterte Seide: Graphen-Schichten unter dem Elektronenmikroskop

          Keine Woche vergeht, in der nicht über eine weitere Eigenschaft oder eine neue potentielle Anwendung berichtet wird. So haben Wissenschaftler von der Columbia University in New York jetzt die weltweit kleinste Glühlampe konstruiert. Ein dünner Graphenstreifen mit den Abmessungen von wenigen Mikrometern übernimmt die Rolle des Wolframdrahtes. Er ist zwischen zwei Elektroden eingespannt und befindet sich freischwebend über einem Siliziumsubstrat. Schickt man einen Strom durch die Anordnung, heizt sich das Graphen auf und beginnt zu leuchten. Das Licht ist so intensiv, dass es sogar mit bloßem Auge zu sehen ist, schreiben Young Duck Kim und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“.

          Graphen für Ultraschall- Mikrophone

          Obwohl sich der Graphenstreifen auf 2500 Grad erhitzt, überträgt sich kaum etwas davon auf die unmittelbare Umgebung. Der Grund: Die thermische Leitfähigkeit des Graphens nimmt bei hohen Temperaturen stark ab, und so ist die Hitze in der Mitte des Graphenglühfadens lokalisiert. Nach Ansicht der Forscher ließe sich die Minilampe in Computerchips integrieren, die optische Signale verarbeiten, oder in flexible dünne Displays. Dort würde jeder Bildpunkt von einer Graphenglühbirne gebildet werden.

           Nanoglühlampe mit einem Glühstreifen aus Graphen

          Graphen hat mittlerweile auch Einzug in die Akustik gehalten. Wissenschaftler um Alex Zettl von der University of California in Berkeley haben einen Lautsprecher und ein Mikrophon entwickelt, deren Membranen aus Graphen bestehen. Da die Graphenmembran anders als herkömmliche Membranen äußerst leicht ist, zugleich aber eine hohe Steifigkeit besitzt, ist sie für akustische Signale in einem Frequenzbereich zwischen 20 Hertz und 500 Kilohertz geeignet. In diesen Bereich fällt das menschliche Gehör (20 Hertz bis 20 Kilohertz), aber auch die für uns nicht wahrnehmbaren Ultraschallwellen, wie sie beispielsweise Fledermäuse oder Wale erzeugen. Zettls Mitarbeiter Qin Zhou hat das Mikrophon an frei lebenden Fledermäusen getestet und deren Ultraschallsignale aufgenommen, wie in den „Proceedings“ der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften berichtet wird. Damit die Geräusche das menschliche Gehör anschließend wahrnehmen konnten, hat er die Aufnahmen mit einem Achtel der normalen Geschwindigkeit wieder abgespielt.

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