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Zukunftslabor Lindau 2019 : Das flache Wunder

Im Graphen bilden die Kohlenstoffatome eine perfekte zweidimensionale Wabenstruktur. Bild: University of Oklahoma

In Lindau konnte man sehen, was aus Kohlenstoff alles werden kann: Graphen und neue 2-D-Materialien bilden die Basis für eine neue Hightech-Zukunft, wie der Nobelpreisträger von 2010, Konstantin Novoselov, berichtete.

          Als Andre Geim und Konstantin Novoselov vor fünfzehn Jahren winzige Graphitflöckchen mit einem Klebeband und Seife von einem Graphitblock ablösten und unter dem Tunnelmikroskop genauer betrachteten, machten sie eine epochale Entdeckung. Sechs Jahre später wurden sie dafür mit dem Physik-Nobelpreis 2010 gewürdigt. Die beiden hielten den ersten Werkstoff in Händen, dessen Atome ein perfektes zweidimensionales kristallines Gitter in Form eines Wabenmusters aufspannten. Obwohl nur aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, zeigten schon die ersten Graphenproben ungewöhnliche physikalische Eigenschaften, wie man sie bis dato von keinem anderen Material her kannte.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Graphen erwies sich fester als Stahl, so biegsam wie Gummi, extrem leicht und so transparent wie Glas. Es kann Wärme und elektrischen Strom besser leiten als ein Kupferdraht. Graphen lässt sich mittlerweile auch in einen Dauermagneten und in einen Supraleiter verwandeln. Das „Wundermaterial“, wie Graphen gerne bezeichnet wird, schien deshalb schon kurz nach seiner Entdeckung für zahlreiche Hightech-Anwendungen wie geschaffen. Flexible Displays, schnellere Transistoren und empfindlichere Sensoren, bessere Batterien und leichtere Fahrzeug- und Flugzeugteile verspricht man sich von den dünnen Graphitfocken.

          Die leichteste und teuerste Armbanduhr

          Die Erwartungen sind bislang nicht enttäuscht worden, wie Konstantin Novoselov berichtete (hier geht`s zum Video). Graphen hat Graphit als Anodenmaterial in vielen Lithium-Ionen-Akkus und Superkondensatoren bereits ersetzt, in einigen Handys wird Graphen als Schutz vor Überhitzung und für Displays verwendet, auch im Fahrzeugbau schätzt man vor allem die hohe Wärmeleitfähigkeit des 2D-Materials. Graphen hat sich auch als effizientes Filtermaterial erwiesen. Normalerweise undurchlässig für Atome und Moleküle, kann man die Bienenwabenstruktur so manipulieren, dass bestimmte Moleküle passieren können und andere nicht. Chinesische Wissenschaftler von der Universität Wuhan haben auf diese Weise einen Filter zum Entsalzen von Meerwasser entwickelt. Die im Vergleich zu normalen Wassermolekülen viel größeren Salzmoleküle haben keine Chance, die Graphenmembran zu durchdringen.

          Ungeheuer leicht und sehr teuer: die Graphen-Armbanduhr

          Novoselov präsentierte zwei weitere, erstaunliche Anwendungen: zuerst eine Kontaktlinse gegen Altersfehlsichtigkeit. Hier ist eine dünne Schicht eines Flüssigkristalls zwischen zwei transparenten Graphenschichten eingebettet. Die Sehstärke der Kontaktlinse lässt über eine geringe Spannung variieren. Als zweites eine Armbanduhr, die dank Graphenbauteilen nur 25 Gramm wiegt. „Sie ist nicht nur die leichteste, sondern mit einem Preis von einer Million Euro auch die teuerste Uhr der Welt.“

          Nach wie vor wird Graphen aber vor allem als Zusatzstoff für Verbundmaterialien genutzt, etwa um die mechanische elektrische Leitfähigkeit und Stabilität von Polymeren zu verbessern. Vor zwei Jahren kam der erste Joggingschuh auf den Markt, dessen Sohle Graphen enthält und dadurch besondere Laufeigenschaften haben soll. Für Novoselov ist Letzteres Spielerei. Um die vielen Eigenschaften von Graphen auszuloten und das Wundermaterial möglichst schnell in Produkte zu überführen, hat der 44 Jahre alte Werkstoffforscher vor fünf Jahren das milliardenschwere EU-Flaggschiffprojekt mitinitiiert. „Nun wissen wir ziemlich genau, was Graphen alles kann. Jetzt konzentrieren wir uns verstärkt auf die Anwendungen“, sagte der gebürtige Russe mit britischem Pass.

          2D-Verwandte des Graphens

          Auch bei der Herstellung von Graphen sind große Fortschritte erzielt worden. Graphen lässt sich beispielsweise aus der Gasphase abscheiden. Das ist zwar recht teuer, verspricht dafür aber eine hohe Reinheit, was für die Herstellung von Sensoren und elektronischen Bauteilen essentiell ist. Günstiger ist es, Graphen chemisch oder mit Ultraschall aus einer kohlenstoffhaltigen Lösung zu gewinnen. Nach dem Trocknen der Emulsion erhält man große Mengen an Gaphenpulver, das man dann als wässrige Lösung für viele Anwendungen weiterverarbeiten kann. Novoselov und seine Mitarbeiter gewinnen Graphen für ihre Experimente an der University of Manchester über die bewährte Klebebandmethode. Die Qualität sei dafür mehr als ausreichend.

          Aber Graphen ist bei weitem nicht das einzige bekannte 2D-Material, das der Materialforscher im Blick hat. Schon bald nach der Entdeckung von Graphen wurden auch andere Elemente – darunter Silizium, Germanium, Bor und Phosphor – und zahlreiche Verbindungen wie Molybdän- oder Wolframselenid und Wolframtellurid identifiziert, aus denen ebenfalls dünne Schichten mit einer Wabenstruktur produziert werden konnten. Silizen, Boren oder Phosphen und die anderen 2D-Verbindungen zeigen anders als das metallische Graphen halbleitende oder ferromagnetische Eigenschaften, wodurch sie schnell für elektronische und optische Anwendungen wie geschaffen schienen.

          2D-Leuchtdioden für die Optoelektronik

          Auch wenn sich einige 2D-Substanzen als weniger stabil oder als schwerer handhabbar erwiesen, haben sie doch das Potential für neue Anwendungen eröffnet. Insbesondere, wenn man die 2D-Materialien miteinander kombiniert, etwa indem man sie übereinanderschichtet, erhält man neue überraschende Eigenschaften.

          Graphen, das extrem dünne Nano-Material mit zweidimensionaler Kohlenstoffstruktur, sieht gewöhnlichem Kohlenstoffstaub zum Verwechseln ähnlich.

          Novoselov beschrieb eine Leuchtdiode, die aus mehreren übereinandergestapelten Schichten verschiedener halbleitender 2D-Materialien besteht. Die LED emittiert gleichzeitig infrarotes, rotes, grünes und ultraviolettes Licht. Klassische Leuchtdioden erstrahlen meist nur in einer Wellenlänge.

          Leuchtdioden aus 2D-Materialien hätten großes Potential für optoelektronische Chips, die elektrische und optische Signale gleichzeitig verarbeiteten, sagte Novoselov. Heute würden in der Optoelektronik immer noch ganze unterschiedliche Materialien und Bauelemente verwendet, die man nach wie vor nur schwer kombinieren könne. Bei Heterostrukturen aus 2D-Halbleitern würde vieles einfacher.

          „Die Materialien der Zukunft werden ganz neue Eigenschaften und Funktionalitäten besitzen, und wir selbst können bestimmen, welche das sein sollen.“

          Konstantin Novolselov, Physik-Nobelpreisträger 2010

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