Graphen

Ein Material, das (fast) alles kann... und das es eigentlich nicht geben dürfte

Franz Bludorf

„Was ist das für ein Zeug, und warum war seine Entdeckung einen Nobelpreis wert?“ fragte der US-Wissenschaftsjournalist Alan Boyle provokativ, und die Antwort darauf ist kurz und bündig: Das Zeug heißt Graphen, und eines nicht zu fernen Tages werden wir alle darin fahren (in neuen, superleichten, rostfreien und und fast unzerstörbaren Fahrzeugen), wir werden darauf tippen (auf dem Touchscreen superflacher Smartphones), und ein flacher, extrem leichter Graphen-Fernseher wird als Heimkino an unserer Wand im Wohnzimmer hängen. Und wer Pech hat, könnte Graphen sogar in seiner Zahnplombe vorfinden. Das wäre dann allerdings weniger angenehm!

Aber alles zu seiner Zeit.

Seit über zwei Jahrtausenden lebt die Menschheit im Eisenzeitalter. Nicht nur die Ritter des Mittelalters trugen schwere eiserne Rüstungen und kämpften mit Schwertern aus Stahl, auch unsere moderne Technologie wird nach wie vor von schweren und mittlerweile auch unwirtschaftlichen Konstruktionen aus Stahl und Eisen beherrscht. Selbst Flugzeuge und Raumschiffe haben Stahlkonstruktionen und müssen mit ihrem Eigengewicht unter verschwenderischem Einsatz großer Treibstoffmengen von der Erde erheben.

Der Übergang ins Kohlenstoff-Zeitalter

Das alles wird jedoch schon bald die „Steinzeit“ sein - oder anders gesagt: Die Eisenzeit geht zu Ende. Die Zukunft gehört dem Kohlenstoff, jenem Element, auf dem auch alles Leben auf der Erde basiert. Ohne den Kohlenstoff und seine Fähigkeit, komplexe organische Kettenmoleküle zu bilden, gäbe es uns gar nicht.

Kaum ein Material ist so vielseitig und besitzt so erstaunliche Eigenschaften. Unter Hochdruck kristallisiert, wird Kohlenstoff zum Diamanten, dem härtesten Stoff, den es auf Erden gibt. In Form von Graphit dient er uns als Bleistift zum Schreiben. Und die neueste Errungenschaft der Wissenschaft - Graphen - könnte schon bald unsere gesamte moderne Technik revolutionieren.

Doch angefangen hatte alles mit einem simplen Streifen Tesafilm.

Es war im Jahre 2004, als die Physiker Konstantin Novoselov und André Geim von der Universität Manchester ein Experiment durchführten, dessen Einfachheit so gar nicht zu dem ansonsten so verschwenderischen Einsatz millionenschwerer Technologien in der heutigen Wissenschaft paßte. Sie klebten einen Tesafilmstreifen auf einen Graphitblock, also im Prinzip auf so etwas wie eine Bleistiftmine, und zogen ihn dann schnell wieder ab. An dem Klebestreifen blieb dadurch eine hauchdünne Schicht Graphit haften. Wissenschaftler nennen diese Vorgehensweise „mechanische Exfoliation“, was schon etwas vornehmer klingt als Bleistift und Tesafilm.

Indem Novoselov und Geim diesen Klebestreifen anschließend auf einen mit Fotolack beschichteten Silizium-Wafer klebten und erneut abzogen, konnte die auf dem Silizium verbliebene Graphitschicht nochmals verdünnt werden. Es gelang den Wissenschaftlern nachzuweisen, daß die verbleibende Schicht nur noch die Dicke eines Atoms hatte. In ihrer Publikation „The Rise of Graphene“ erklärten die beiden Forscher später, sie hätten auf diese Weise ein Material entdeckt - Graphen -, das es eigentlich nicht geben dürfte.

Ein Material, das es nicht geben dürfte

Rund 70 Jahre zuvor war nämlich „wissenschaftlich bewiesen“ worden, daß zweidimensionale Kristallstrukturen thermodynamisch instabil seien und daher nicht für längere Zeit existieren könnten. Die  Herstellung einer makroskopischen Menge eines derartigen Materials wäre damit - so war es jahrzehntelang einhellige Meinung der Wissenschaft - unmöglich.

Doch Graphen existiert, und es weigert sich standhaft, „thermodynamisch instabil“ zu sein.

Im Jahre 2010 wurden Novoselov und Geim für ihre Untersuchungen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, denn die von ihnen erstmals hergestellten extrem dünnen - praktisch zweidimensionalen - Graphitschichten haben geradezu phantastisch anmutende Eigenschaften.

Man kann sich Graphen als ein zweidimensionales Bienenwabengitter aus Kohlenstoffatomen vorstellen, so wie es in der Graphik oben dargestellt ist. Natürlich kann man mit der simplen Tesafilm-Methode nur geringste Mengen an Graphen gewinnen. Inzwischen sind jedoch verbesserte technische Verfahren entwickelt worden, die auch eine industrielle Produktion zulassen können.

Die Dicke einer einzelnen Graphenschicht beträgt nur etwa 50 Nanometer. Graphen ist damit das dünnste bekannte Material und gleichzeitig, so erstaunlich es klingt, das stabilste. Baut man nämlich dickere Materialschichten aus Graphen auf, indem man sie auf metallischen Oberflächen wachsen läßt, so erhält man einen Werkstoff, der rund hundert Mal fester ist als Stahl. Gleichzeitig ist Graphen ein hervorragender Leiter für elektrischen Strom.

Leitfähig, undurchlässig und fester als Stahl 

Es eignet sich für neuartige Superkondensatoren, Batterien und Akkus sowie für Anwendungen in der Photovoltaik. Sonnenkollektoren der dritten Generation aus Graphen sollen Wirkungsgrade bis zu 60 % erreichen können.

Graphenschichten sind gasdicht und gleichzeitig wasserdurchlässig, so daß das Material auch für Filter, Destillatoren und zur hermetischen Versiegelung  als Dichtmittel verwendet werden kann.

Als makroskopischer, außergewöhnlich widerstandsfähiger Werkstoff soll Graphen eines Tages die bislang verwendeten Kohlenstoff-Nanoröhren ersetzen. Zum Beispiel für Raumanzüge oder schußsichere Westen, die dann ein wesentlich geringeres Gewicht haben. Und natürlich für Autokarosserien und Flugzeuge. Golfschläger aus Graphen könnten ebenfalls schon bald zum Statussymbol werden.

Der Prototyp eines Graphen-Touchscreens wurde bereits 2010 gebaut. Wird er möglicherweise schon beim iPhone 9 auf den Markt kommen?

Auch im Rahmen der Terahertz-Technologie (Stichwort: Nacktscanner) könnte Graphen in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen, und zwar sowohl als Detektor als auch als Terahertz-Frequenzgenerator. Möglicherweise werden dann T-Ray-Scanner sogar die klassischen Röntgengeräte und Computertomographen in der Medizin ablösen.

„Ich kann nicht die Zukunft vorhersagen, nur die Vergangenheit“, sagte André Geim in einem Presseinterview. Und dann erinnerte er an die Entdeckung der Polymere vor rund 100 Jahren. Es dauerte noch geraume Zeit von der Entdeckung bis zur industriellen Herstellung von Plastikmaterialien, die anschließend unser aller Leben derart beherrschen sollten, wie wir es heute kennen.

Graphen-Transistoren übertreffen die Leistungsfähigkeit der herkömmlichen Silizium-Bauelemente um ein Vielfaches. Prozessorgeschwindigkeiten bis zu 1000 Gigahertz sollen auf diese Weise machbar sein. Novoselov und Geim ordnen den Graphen-Mikroprozessor allerdings vorläufig noch in die Kategorie der „Graphene Dreams“ ein. Obwohl gerade in diesem Bereich die Forschung von Weltkonzernen wie IBM und Intel massiv durch Einsatz von Forschungsgeldern gefördert wird, schätzen die beiden Wissenschaftler den Zeitrahmen bis zum ersten funktionsfähigen Graphen-Mikroprozessor auf etwa 20 Jahre. Andere der genannten Einsatzmöglichkeiten des neuen Super-Materials sollen früher realisierbar sein, so Novoselov und Geim. Allerdings sei „die Spitze des Eisberges überhaupt erst entdeckt.“

Dies ist in der Tat der Fall, und insofern ist die Schätzung des Zeitrahmens vielleicht sogar viel zu pessimistisch ausgefallen. Erste (elementare) digitale Bauelemente auf Graphenbasis konnten nämlich inzwischen bereits konstruiert werden. So vermeldete die Chalmers University of Technology in Gothenburg (Schweden) im Jahre 2012, es sei erstmals gelungen, einen Mixer auf Graphenbasis konstruieren, der den klassischen Silikon-Bauelementen weit überlegen sei. Mixer gehören zu den Schlüsselelementen aller elektronischen Systeme. Sie dienen dazu, zwei einlaufende elektrische Signale zu einem auslaufenden Signal zu überlagern.

Die Wanze im Backenzahn

Aufgrund der Tatsache, daß man aus Graphen extrem dünne Schichten herstellen kann, liegen viele potentielle Anwendungen natürlich auch im Bereich der Nanotechnologie. Thematisiert wurde dies im Rahmen der Krimiserie „Navy CIS“. In einer Folge entdeckte ein Zahnarzt im Backenzahn von NCIS-Agent Ned Dorneget eine implantierte Wanze. Die NCIS-Ermittler stellen später fest, daß die Wanze auf Graphenbasis konstruiert war und sich - so die Aussage der Serienfiguren - mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts selbst mit Energie versorgen konnte.

Eine verblüffende Aussage, die allerdings zu jener Zeit, als die Serie gedreht wurde (im Jahre 2011) eigentlich noch Science Fiction war. Der piezoelektrische Effekt ist eine in der Physik bekannte Eigenschaft mancher Kristalle, sich unter dem Einfluß elektromagnetischer Felder zu verformen bzw. - umgekehrt - Elektrizität zu erzeugen, wenn auf sie mechanischer Druck ausgeübt wird. Auf die im Backenzahn implantierte Wanze wurde natürlich beim Kauen während des Essens ständig mechanischer Druck ausgeübt, was dafür sorgte - so die Aussage der NCIS-Forensikerin Abby Sciuto im Film -, dass das Abhörgerät ständig mit Strom versorgt wurde.

Zu jener Zeit war es allerdings eine in der Wissenschaft bekannte Tatsache, daß Graphen nicht piezoelektrisch ist. Aber was bedeutet schon „in der Wissenschaft bekannt“ - in einem Fachgebiet, von dem erst die Spitze des Eisberges entdeckt ist?

Die Produzenten der Serie jedenfalls waren entweder präkognitiv begabt, oder sie mußten über hervorragende Informationskanäle verfügen, die ihnen noch unveröffentlichtes wissenschaftliches Material verfügbar machten. Im Dezember 2011, als die Staffel bereits im US-Fernsehen lief, publizierten nämlich die Wissenschaftler Mitchell T. Ong und Evan J. Reed von der Stanford University im Fachjournal ACS Nano einen Artikel mit dem Titel „Engineered Piezoelectricity in Graphene“.

Um dem Graphen die gewünschte Fähigkeit zu verleihen, auf mechanischen Druck mit der Produktion von Elektrizität zu reagieren, mußten die Ingenieure das Material auf der Nanoskala „tunen“. Das heißt, sie mußten an ganz bestimmten Stellen des Graphen-Gitters Atome einfügen, wodurch die normalerweise ideale Symmetrie des Gitters leicht gestört wurde. Hierzu wurden Atome unterschiedlicher Elemente verwendet, darunter Wasserstoff, Fluor, Kalium und Lithium. Die Forscher nannten das Verfahren „Pattern Doping“. Nie zuvor war eine derartige Feinkorrektur an einem Material auf der Nanoebene gelungen.

Die Forscher sprechen in diesem Zusammenhang auch von „Designer-Piezoelektrizität“. Man hat eben der Natur in geeigneter Weise etwas nachgeholfen. Das Verfahren hat den Vorteil, daß man die Stärke des Effekts durch gezieltes „Pattern Doping“ ganz genau kontrollieren kann.

Ist damit die implantierte „Wanze im Backenzahn“ technisch machbar? Im Prinzip ja. Wissenschaftler erwähnen solche Anwendungsmöglichkeiten allerdings in der Regel nicht. Ohnehin werden sie bei neuentdeckten physikalischen Effekten oder Verfahren nur in den seltensten Fällen so konkret, daß wirklich praxisnahe Anwendungen erkennbar werden und somit die Neugier der Öffentlichkeit geweckt werden könnte. Statt dessen „schwärmen“ sie - wie z. B. in diesem Fall - davon, die Designer-Piezoelektrizität eröffne „neue Möglichkeiten in der Elektronik, Photonik, Hochfrequenz-Akustik und Energieerzeugung.“ Mit solchem Allgemeingeschwafel dürfte gewährleistet sein, daß das Interesse an dem neuentdeckten Verfahren „in der Familie“ bleibt.

Das Militär ist interessiert

Interessantes Detail in diesem Zusammenhang: Die Stanford University beherbergt auch ein Forschungszentrum, das der US-Armee unterstellt ist, das Army High Performance Computing Research Center (AHPCRC). Das AHPCRC hat die Forschung am piezoelektrischen Graphen ausdrücklich unterstützt und begleitet. Es ist schon erstaunlich, welch großes Interesse das Militär an  Hochfrequenz-Akustik oder Photovoltaik hat.J

Graphen ist mittlerweile das meist­erforschte Material der letzten zehn Jahre. Und gleichzeitig umgibt diesen Wunderstoff immer noch ein Schleier ungelöster Geheimnisse. Ob jemals alle Möglichkeiten, die in graphenbasierten Technologien stecken, publik gemacht werden, darf bezweifelt werden.

Mit einem kleinen Streifen Tesafilm hatte es angefangen. Und wohin wird die Entwicklung führen?