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Wundervoller Werkstoff

Für die Erforschung hauchdünner beweglicher und dennoch äußerst harter Kohlenstoffschichten spendiert die Europäische Union viel Geld. Mit Erfolg? Von Martin Schäfer

Das neue Wundermaterial der Wissenschaft heißt Graphen. Eigentlich sollte es Wunder in der Wissenschaft nicht geben. Doch die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser nur eine Atomlage dicken Kohlenstoffschichten sind für viele Forscher so phänomenal, dass sich ein boomendes, mittlerweile unüberschaubares Forschungsfeld entwickelt hat. "Das wird ein Dauerbrenner", sagt etwa Rolf Mülhaupt, Polymerchemiker an der Universität Freiburg.

Den Besonderheiten des Graphen kann man sich von zwei Seiten nähern, seinem Aufbau und seinem Vorkommen. Da ist zum einen seine besondere Struktur, die an die regelmäßige Sechseckform von Bienenwaben erinnert. Nur dass so eine Graphenschicht nur 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.

Struktur: Graphen ist eine Kohlenstofffolie, die nur eine Atomlage dick ist. Die Kohlenstoffatome sind wie in einer Bienenwabe als Sechsecke angeordnet.

Eigenschaften: Graphen ist fester als Stahl und Diamant, dabei flexibel und biegsam. Strom wird so gut wie bei Kupfer geleitet. Die Schichten sind transparent, chemisch inaktiv und biologisch verträglich.

Anwendungen: in der Computertechnik in Transistoren und Displays, in Energiespeichern und Katalyse, in Sensoren, im Leichtbau.

Herausforderungen: Herstellung in größeren Mengen und Flächen, noch hohe Kosten.

Forschungsförderung: Die Erforschung des Graphen wird von der Europäischen Union mit 500 Millionen Euro, verteilt auf zehn Jahre, unterstützt. Die Hälfte der Summe muss von den ausgezeichneten Forschern bei den Wissenschaftsorganisationen ihrer Länder selbst eingeworben werden.

Entwicklungsdefizite: An der Umsetzung der Forschungsergebnisse in Anwendungen, gemessen in Patenten, hapert es. Hier und im Bereich der Verwertung soll das Projekt des Europäischen Forschungsrates (ERC) ansetzen. Dutzende Forschergruppen erhalten jährlich 50 Millionen Euro. Koordiniert wird das Graphen-Projekt von Jari Kinaret von der Chalmers-Universität Göteborg.

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Leichter und fester als Stahl

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 (MPI) 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.

Die Physikerin Janina Maultzsch von der Technischen Universität Berlin hat vielleicht das extremste Beispiel dafür: "Wenn man aus Graphen eine Hängematte bauen könnte, könnte darin eine Katze liegen." Die Hängematte selbst würde dabei weniger als ein Milligramm wiegen. Doch so große Flächen lassen sich längst nicht herstellen.

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 abscheren, was jeder vom Bleistiftschreiben kennt. "In der Bleistiftspur finden sich alle Partikelformen von Mehrfachschichten bis hin zum einzelnen Graphen", erklärt Mülhaupt. Unter dem Elektronenmikroskop sind diese sogenannten Graphenflakes dann zu sehen. Mülhaupt verweist gern auf das Beispiel mit dem Bleistift. Es zeigt, dass die Menschen schon lange mit Graphit und Graphen in Kontakt gekommen sind, dass das Material daher erprobt und ungefährlich sei.

Versuche mit Hilfe von Tesafilm

Mit dem simplen Abscheren der Graphenschichten von einem Graphitklumpen haben die beiden russischen Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov von der Universität Manchester auch erstmals kleinste Graphenflakes einer wissenschaftlichen Erforschung zugänglich gemacht. Die Forscher klebten schlicht Tesafilm auf den Graphit und zogen dickere Schichten ab. Das wiederholten sie mehrmals, bis sie zu einzelnen Graphenflakes kamen. Das war im Jahr 2004. Für ihre physikalische Grundlagenforschung an diesen Schnipseln erhielten beide im Jahr 2010 den Physiknobelpreis.

In der Zwischenzeit hat sich die Erforschung dieser zweidimensionalen Kristalle in ein boomendes Geschäft verwandelt. Die Anwendungen sind so viel versprechend, dass nun auch die Europäische Union die Graphen-Forschung als Flaggschiffprojekt mit 500 Millionen Euro fördert.

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