Wundermaterial Graphen

Graphen-wabenstruktur2.jpg Heimbach/Eifel, 28.02.2013
Ein phänomenales Material macht heutzutage sensationelle Schlagzeilen und aufsehende Berichte strahlen die Funk-Medien aus: Graphen! Diesem neuen Werkstoff werden Eigenschaften zugeschrieben, die sozusagen an Wunder grenzen! Ultra dünn und leicht, superschnell, extreme Festigkeit mit der 100fachen Stärke des Stahls oder der Diamanten und dabei enorm flexibel und biegsam soll dieser Stoff sein!
Da drängt sich nicht nur dem Laien die Frage auf: Wie ist denn das Wundermaterial Graphen eigentlich beschaffen?
Tatsächlich ist die Basis Kohlenstoff, klingt zunächst ernüchternd und banal!
Der zentrale Baustein aber ist Graphit, wie er zum Beispiel im Bleistift zu finden ist, daher auch der Name Graphen für das bearbeitete Endprodukt.
Betrachtet man den Aufbau des Graphens, so fallen 2 Besonderheiten auf, die Struktur und sein Vorkommen.
Graphen-Str-anim.gif Die Struktur: In der Struktur Erinnert Graphen stark an die Sechseckform von Bienenwaben, nur dass eine ultra dünne Graphenschicht rund ein Zehntel Nanometer (ein Zehntel Millionstel Millimeter) dick ist. Die Grundstruktur mit sechs Ecken, an denen jeweils ein Kohlenstoffatom sitzt, hat einen Durchmesser von nur einem halben Nanometer.
Die kompakte Bauform mit ihren chemischen Bindungen in der Ebene machen Graphen zum festesten Material überhaupt. "Graphen ist leichter und 100 Mal fester als Stahl", sagt Jurgen Smet, Physiker am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Diese eminente Festigkeit hat Graphen allerdings nur in der Schichtebene. In die Vertikale hingegen bleibt Graphen flexibel. Es lässt sich biegen und rollen.

Das Vorkommen: In der Natur kommt Graphen als isoliertes einschichtiges Material nicht vor. Es findet sich aber als zentraler Baustein von Graphit wieder. Diese Kohlenstoffform besteht aus einem System unzähliger Graphenschichten, die nur locker elektrostatisch miteinander verbunden sind. Die Schichten können leicht voneinander abgeschert werden, was jeder vom Bleistiftschreiben kennt.
Das erstaunliche, dass in der Bleistiftspur sich alle Partikelformen von Mehrfachschichten bis hin zum einzelnen Graphen finden. Unter dem Elektronenmikroskop sind diese so genannten Graphenflakes dann zu sehen. Das Beispiel mit dem Bleistift beweise, sagen Experten, dass der Mensch schon lange mit Graphit und Graphen Kontakt habe. Das Material sei daher erprobt und ungefährlich.

Die Herstellung: Graphen-Morgenstern-Markus.jpg Der Physiker Prof. Dr. Markus Morgenstern von der RWTH Aachen sagte in einem TV-Interview für die Deutsche Welle:
„Die Herstellung ist genial einfach, mit Klebeband wird Graphit Schicht um Schicht abgezogen. Am Ende bleibt eine ultradünne Schicht Kohlenstoff, nur ein Atom dick, das zweidimensionale Graphen. Diese Kunststofffolie ist mit Graphen beschichtet und damit elektrisch leitend. Es eignet sich zum Bau von elektronischen Geräten.“
Ein Laptop, dass sich zum Handy zusammenfalten lässt, oder zum elektronischen Armband, oder zu einem Headset wird. Dass Graphen auch Computerchips leistungsfähiger machen, haben die Aachener Forscher herausgefunden. Eine Schicht aus Graphen überträgt zehnmal mehr Daten als herkömmliches Silizium. Der Wunderstoff soll vor allem die Kommunika-tionstechnologie der Zukunft revolutionieren.

Die Vorgeschichte: Bereits im Jahre 2004 probten die beiden russischen Physiker Graphen-Andre Geim.jpg Graphen-Konstamti nNovoselov.jpg Andre Geim und Konstantin Novoselov von der Universität in Manchester mit Graphitklumpen, indem sie mit simplem Tesafilm dickere Schichten abzogen und diese Methode mehrfach anwandten, bis sie zu einzelnen Graphenflakes kamen. Für ihre physikalische Grundlagenforschung an diesen Schnipseln erhielten beide im Jahr 2010 den Physiknobelpreis.
Was noch bei der Grundlagenforschung der beiden Wissenschaftler mit der Tesafilm-Methode möglich war, funktioniert dies nicht für größere Flächen oder größere Mengen. Ein alternatives Verfahren wäre, Kohlenstofffilme auf einer Kupferplatte abzuscheiden. Das Metall würde dann später weggeätzt.

Die Zukunft: Wie geht es nun mit der Forschung weiter, denn bis zur Produktionsreife von Graphen ist für die Wissenschaft noch ein weiter Weg zurückzulegen. Schon 1991 man bei der RWTH in Aachen Graphit untersucht und mussten es dünner machen, damit es transparent wird. Dass es ein fantastisches Material für nichtlineare Optik war den Aachenern klar. Doch für die Entdeckung der faszinierenden elektronischen Eigenschaften reichte ihnen die Kreativität oder Phantasie nicht aus. Doch 2006, ganze zwei Jahre nach der Entdeckung von Graphen, testete man an der RWTH, wie Graphen anstelle von Silizium funktioniert. Im Jahr darauf hatte man den ersten Graphen-Transistor entwickelt und damit weltweit wissenschaftliche Beachtung gefunden. Wie immer, braucht man aber für die Weiterentwicklung so eines aussichtsreichen Werkstoffes für die Zukunft sehr viel Geld.

Von der Europäischen Union wurden am 28. Januar 2013 in Brüssel zwei Großvorhaben wurden als „visionäre Forschungsini­tiativen“ ausgewählt. Die 2 Projekte sind: Eine einjährige Förderung in Höhe von 1,5 Millionen Euro für die Simulation des menschlichen Gehirns, um so Wege zur Heilung von Erkrankungen wie Alzheimer finden zu können, und das Projekt Graphene, ein neues Material, dem „revolutionäre“ Eigenschaften beispielsweise beim Einsatz für flexible und transparente Elektronik zugeschrieben werden. Die RWTH Aachen ist Projektpartner bei beiden Initiativen.

Weltweit, insbesondere die mächtigen Konkurenten USA, China, Korea, Singapur und Japan investieren massiv in die Entwicklung von Graphen, Korea allein 1,5 Milliarden. Das meiste Geld kommt vom Kommunikations-Konzern Samsung, der auf einen Riesenmarkt für flexible Touchscreens und Flachbildschirme setzt.

Friedhelm Rubach


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