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Nobelpreis für Physik 2010 : Die Bremsspur des Bleistifts

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

Für die Entdeckung der neuartigen Kohlenstoff-Modifikation Graphen erhalten der Niederländer Andre Geim und der britisch-russische Physiker Konstantin Novoselov den Nobelpreis für Physik.

          Bleistift und Papier sind für viele Physiker noch immer unverzichtbare Utensilien für ihre Forschungen. Meist beschränkt sich ihr Gebrauch jedoch darauf, flüchtige Gedanken festzuhalten, Rechnungen auszuführen oder Messreihen zu notieren. Inzwischen sind die winzigen Graphitschuppen, aus denen ein Bleistiftstrich besteht, aber selbst zum Forschungsobjekt geworden, das es in sich hat. Vor sechs Jahren haben Wissenschaftler um Andre Geim und Konstantin Novoselov festgestellt, dass ein Bleistiftstrich mitunter aus Graphitschichten besteht, die nur aus einer Lage von Kohlenstoffatomen aufgebaut sind.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Dieses als Graphen bezeichnete Material erwies sich als überraschend stabil und zeigte ungewöhnliche Eigenschaften, die man bis dahin nicht kannte. Geim und Novoselov hat die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm nun den diesjährigen Nobelpreis für Physik zuerkannt - „für ihre bahnbrechenden Experimente an einer neuartigen Modifikation von Kohlenstoff, dem Graphen“.

          Perfekte Kristalle

          Seit Menschen mit graphithaltigen Bleistiften schreiben, haben sie, wenn auch unwissentlich, Graphenschichten erzeugt. So auch Geim und Novoselov, als sie in ihrem Labor im Institut für Mikroelektronik an der University of Manchester im Jahr 2004 eine oxidierte Siliziumscheibe mit Graphit bestrichen und anschließend mit einem Mikroskop betrachteten. Nach längerer Suche entdeckten sie einige Mikrometer große und Bruchteile von Nanometern dicke Kohlenstoffplättchen, in denen die Atome wie in normalem Graphit ein Bienenwabenmuster formten. Nur dass sie aus einer einzigen Lage Atomen bestanden und perfekte zweidimensionale Kristalle bildeten. Das Material, das obendrein lichtdurchlässig war, erwies sich als ungewöhnlich robust und chemisch stabil, obwohl es ständig Luftsauerstoff ausgesetzt war.

          Es waren die elektrischen Eigenschaften des Materials, die sofort das Interesse der beiden Forscher und schnell auch anderer Wissenschaftler weckten. Graphen leitet den elektrischen Strom zwar nicht so gut wie ein Metall, aber viel besser als ein Halbleiter, etwa Silizium. Die Leitungselektronen können sich zwischen den perfekt geordneten Atomrümpfen knapp einen Mikrometer weit bewegen, ohne zu kollidieren. Dabei erreichen sie Geschwindigkeiten von etwa tausend Kilometern pro Sekunde. Da solch mobile Elektronen schnelle elektronische Schaltvorgänge auslösen können, lag die Idee nahe, Transistoren aus Graphen zu bauen, um mit diesen Schaltern elektrische Signale mit extrem hoher Frequenz zu verarbeiten.

          Der Preis kam schnell

          Inzwischen haben nicht nur Geim und Novoselov flinke Transistoren aus Kohlenstoff entwickelt, die mit den gebräuchlichen Pendants aus Silizium konkurrieren können. Auch andere Forschergruppen widmen sich intensiv der „Graphenelektronik“. Das Material schickt sich an, die Nanoröhrchen aus Kohlenstoff zu verdrängen, die bislang als das Wundermaterial der Nanoelektronik gehandelt wurden. Doch bis im industriellen Maßstab Transistoren aus Graphen produziert werden können, die in Handys, Laptops oder Displays verwendet werden, ist es noch ein weiter Weg. Derzeit mangelt es noch an effizienten Verfahren zur Herstellung fehlerfreier Graphenschichten.

          Eher könnte die Werkstoffforschung von den Eigenschaften des Graphens profitieren. So wird nichtleitender Kunststoff plötzlich leitfähig, wenn man ein Prozent an Graphen beimischt. Gleichzeitig steigt seine Stabilität gegenüber mechanischen Belastungen und Hitze, was man zum Bau von Karosserien nutzen könnte. Forscher haben vor kurzem empfindliche Sensoren auf der Grundlage von Graphen entwickelt. Die Instrumente registrieren rasch, wenn sich geringste Mengen an Schadstoff in der Umgebungsluft befinden. Der Sensor springt an, sobald sich einzelne Fremdmoleküle auf der Kohlenstoffschicht abgelagert haben. Nur wenige Entdeckungen haben so rasch das Nobelkomitee in Stockholm überzeugt wie diejenige von Geim und Novolesov. Letzterer ist übrigens nach Rudolf Mößbauer (Physik-Nobelpreis 1961) der jüngste Träger dieser besonderen Auszeichnung.

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