Wunderfolie aus Wabenstruktur#
Physik-Nobelpreisträger Konstantin Novoselov über seine Entdeckung Graphen.#
Von der Wiener Zeitung (Freitag, 30. August 2013) freundlicherweise zur Verfügung gestellt
Von
Eva Stanzl
corbis
Alpbach. Entdeckungen sind Zufälle, auf die man hinarbeitet. "Eine Entdeckung plant man nicht. Sondern man tut, was man am besten kann und woran man glaubt. Wer sich dabei nicht dem Diktat der Masse beugt, hat Erfolg. Ich selbst habe jedenfalls noch niemanden gesehen, der all das macht und dann scheitert", sagt Konstantin Novoselov. Der Erfolg des in Russland geborenen Physikers ist Graphen. Für die Entdeckung des Materials erhielt der 39-Jährige im Jahr 2010 den Nobelpreis für Physik zusammen mit seinem Doktorvater Andre Geim.
Graphen gilt als der neue Super-Werkstoff. Das durchsichtige, Material ist stärker, leichter, dünner und leitfähiger als alles bisher da gewesene. Anfang des Jahres sprach die EU dem finnischen Handy-Konzern Nokia eine Milliarde Euro an Forschungsgeldern zu, um an der Entwicklung und Erzeugung von Graphen zu arbeiten. "Wir wollen herausfinden, wie das Material in modernen Computer-Umgebungen eingesetzt werden kann", erklärte Nokia-Chef Henry Tirr, als ihm der Zuschlag erteilt wurde. Sollte Nokia erfolgreich sein, könnte es den Smartphone-Markt umwälzen - mit schnelleren und leichteren Geräten.
Novoselov, der die besonderen Eigenschaften von Graphen als Erster erkannte, traf die "Wiener Zeitung" am Rande der Alpbacher Technologiegespräche zum Interview. "Im Nachhinein tut es mir sogar ein bisschen leid, dass ich mich in der Schule nur auf technische Fächer konzentriert habe. Hätte ich mich breiter interessiert, hätte ich später weniger Bildungslücken auffüllen müssen. Da mir Physik aber großen Spaß machte, inskribierte ich das Fach auch an der Uni. Ich zähle wohl zu jener Minderheit, die genau studiert haben, was sie lieben. Nicht viele haben dieses Glück." Der in der russischen Stadt Nischni Tagil im mittleren Ural geborene Novoselov studierte am Institut für Physik und Technologie in Moskau und wechselte danach an die Ramboud Universität im niederländischen Nijmegen, wo er seinen späteren Doktorvater, den Materialforscher Andre Geim, kennenlernte. Seit 2001 arbeiten beide an der Universität Manchester.
"Wir haben natürlich unsere Hauptgebiete. Hin und wieder versuchen wir aber, etwas Neues zu machen, damit uns nicht langweilig wird", erklärt Novoselov. Geim wollte einen Transistor aus Metall bauen. Die geeigneten Eigenschaften schien das Mineral Graphit zu haben, eine natürliche Erscheinungsform des chemischen Elements Kohlenstoff. Graphit bildet graue bis schwarze Kristalle und hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Erste Versuche, daraus ein Bauelement zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen zu machen, scheiterten allerdings. Bis Novoselov eine entscheidende Beobachtung machte.
Die Seiten eines Notizblocks#
"Ein paar Kollegen von der Rastertunnelmikroskopie säuberten ihren Graphit-Kristall (mit dessen Hilfe Tunnelstrom gemessen wird, Anm.). Das taten sie, indem sie einen Klebestreifen draufklebten und wieder abzogen. Auf dem Streifen klebte eine sehr dünne Schicht Graphit", erklärt der Physiker. Er begann, die elektronischen Eigenschaften der Schichten auf dem Tixo zu messen. "Ein paar Stunden später war klar, dass wir diese Arbeiten weiterentwickeln sollten." Das war 2006.
Warum aber haben kleine, dünne Strukturen scheinbar ganz andere Eigenschaften als große, dick aufeinander geschichtete? Ein Stück Graphit, aus dem etwa Bleistifte gemacht werden, besteht aus vielen Schichten Graphen. Novoselovs Klebestreifen hafteten damals 20 bis 30 solcher Schichten an. Erst ein Jahr später zeigte sich, dass eine einzige Schicht von Graphen-Atomen Elektrizität am schnellsten leitet. Die Forscher konnten eine wabenförmige, zweidimensionale Struktur herstellen, die leitfähiger ist als jeder Supraleiter. Mit Graphen-basierten Transistoren könnten Taktraten im Bereich von 500 bis 1000 Gigahertz möglich sein, während mit siliziumbasierten Taktraten von fünf Gigahertz kaum zu überschreiten sind.
reuters
Zuvor waren Forscher stets daran gescheitert, ein Metall herzustellen, das nur ein paar Schichten dick ist. Das meiste zerbröselte oder sprang. "Graphit-Atome sind auf eine Art und Weise miteinander verbunden, die man mit den Seiten eines Notizblocks vergleichen könnte: Man kann den Block biegen, aber nicht brechen, weil die Seiten nicht aneinander haften, sondern voneinander abrutschen", sagt Nosoelov. Trennt man die Schichten, lösen sie sich. Legt man sie übereinander, verbinden sie sich und es entstehen neue Eigenschaften. Graphit ist wie etwas, das zugleich rutscht und ineinander verschmilzt. "Eins und eins ergibt nicht einfach zwei, sondern ein Material. Zweischichtiges Graphen ist ein ganz anderer Forschungszweig als einschichtiges", sagt der Physik-Nobelpreisträger.
Graphen ist ein Superlativ. Es ist das stärkste Material der Welt. Es ist leitfähiger als alles und härter als Diamant. Seine Zugfestigkeit ist die höchste, die je ermittelt wurde, und es behält seine Eigenschaften selbst auf dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius. Als Hoffnungsträger künftiger Technologien steht es im Mittelpunkt eines der hochdotierten "Flaggschiff-Projekte" der EU. 120 Forschungsgruppen unter der Leitung der Technischen Universität Göteburg sollen den Stoff von der Grundlagenforschung in die Praxis führen. Anwendungen sind in Computern, Batterien und Sensoren denkbar. Auch aufrollbare Bildschirme, Elektronik für das Handgelenk und flexible Leuchtdioden sind möglich - ebenso wie neuer elektronischer Schnickschnack.
Künstliche Haut als Verband#
Novoselov kann sich zudem medizinische Anwendungen vorstellen. "Am interessantesten sind Produkte, die noch nicht existieren. Ich denke an eine Art künstliche Haut. Da Graphen undurchlässig ist, könnte ein Verband daraus verhindern, dass Bakterien in eine Wunde eindringen", visioniert er. "Es sind aber noch viele unbekannte Faktoren zu erforschen. Möglicherweise stellt sich sogar heraus, dass Graphen giftig ist." Dann wäre alles umsonst.
Für eine Massenproduktion müssten Fabriken und Produktionsstraßen umgerüstet werden, um die wabenförmigen Graphen-Strukturen in Produkte einzubringen. Zwar könne Graphen jede erdenkliche Form annehmen. An seinem Labor forsche er jedoch nur an mikroskopischen Größen des Materials, betont Novoselov.
Gerade die Elektronik ist auf ständig neue Innovationen angewiesen. Die Wunderfolie muss daher in Massen produziert werden können. Doch genau hier spießt es sich. Während der Materialforscher und der Physiker mithilfe von Klebestreifen versucht hatten, aus einer größeren Struktur, dem Graphit, eine kleinere, das Graphen, herauszupräparieren, wollen Chemiker das erwünschte Material nun aus kleineren Bausteinen zusammensetzen, indem sie es schrittweise aus Benzolringen aufbauen. "Wir orientieren uns an der Vorgehensweise organischer Chemiker, indem wir einzelne Molekülbausteine kontrolliert verknüpfen", schreibt der Klaus Müllen, Direktor des Max-Plank-Instituts für Polymerforschung in Mainz, im "Spektrum der Wissenschaft". Erst durch die exakte, hierarchische Anordnung der Moleküle entstünde ein technisch einsetzbares Material.
Ob oder wann es gelingen wird, die so hergestellten Graphen-Streifen zu Flächen zusammenzuwachsen zu lassen, die sich in elektronischen Bauelementen einsetzen lassen, muss sich weisen. "Auch bei Graphen zeigt sich, wie weit der Weg von der Erzeugung und Verabreitung eines Werkstoffs zu einer robusten Herstellungsmethode ist", so Müllen: "Aber jede Technologie, die uns heute selbstverständlich vorkommt, war irgendwann einmal eine verrückte Idee, ein Experiment der Grundlagenforschung oder eine theoretische Berechnung." Die britische Firma Blue Stone Computers wendet Graphen in ihren Handys bereits an. Aber nur als Hilfsmittel, um Bildschirme zu härten. Viel mehr scheint noch nicht möglich zu sein.
Zweidimensionale Träume (Essay)
