Die Zukunft ist flach

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Von: Katharine Sanderson

Was sagt man diesem Wundermaterial nicht alles nach; die tollsten Sachen könnte man aus Graphen herstellen: ultraschnelle Computerchips, biegsame Bildschirme, federleichte Flugzeuge. Doch zehn Jahre nach seiner Entdeckung existiert kaum ein Produkt aus dem Werkstoff. Was ist da los? Eine Bestandsaufnahme.

Schmutzig grauer Graphit und feurig funkelnder Diamant – beides Erscheinungsformen ein und desselben Materials: elementarer Kohlenstoff. Ein Umstand, der uns wahrscheinlich schon in der Schule verblüfft hat. Für Materialwissenschaftler hörten die Lektionen aber hier noch nicht auf: Gerade in den letzten Jahren, als die Forscher dachten, sie wüssten schon alles, was es über das Grundelement des Lebens zu wissen gibt, mussten sie sich eines Besseren belehren lassen.

Kohlenstoff, so stellte sich heraus, ist ein wahrer Verwandlungskünstler: Das Material kann die unterschiedlichsten Formen annehmen und zeigt dabei immer wieder faszinierende und unerwartete Eigenschaften. Fußballförmige Buckyballs entstehen normalerweise im Weltraum, lassen sich aber mit Hilfe von aberwitzig viel Strom auch im Labor erzeugen. Eng gerollte Nanoröhrchen können enormem Druck standhalten und nahezu ohne Reibung teleskopartig ineinandergeschoben werden. Ganz oben auf der Liste aber steht Graphen: eine Kohlenstoffvariante, die für Festigkeit, Flexibilität und elektrische Leitfähigkeit so herausragend gute Werte aufweist, dass in Zukunft vom Computerchip über Kondome bis hin zum superleichten Flugzeug nahezu alles daraus entstehen könnte.

Erstmals beschrieben wurde die Herstellung von Graphen in einem Fachaufsatz im Oktober 2004 (Science, Band 306, S. 666). Seitdem ist ein Jahrzehnt vergangen. Inwieweit konnten wir seine Verheißungen bereits umsetzen? Ist Graphen wirklich das Wundermaterial, als das es angepriesen wird? Die Suche nach Antworten darauf ergibt ein gemischtes Bild – aber vielleicht sollte man ohnehin ganz andere Fragen stellen.

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Graphen ist im Wesentlichen eine zweidimensionale Schicht von Kohlenstoffatomen, die wie beim Graphit in Sechsecken angeordnet sind. Zum ersten Mal isoliert und beschrieben wurde das Material von Andre Geim und Kostya Novoselov von der University of Manchester in Großbritannien. Und zwar mit Hilfe des vermutlich einfachsten Experiments, für das in der jüngeren Vergangenheit ein Nobelpreis – der für Physik im Jahr 2010 – vergeben wurde: Die Forscher nahmen einen Klumpen Graphit und lösten mit herkömmlichem Klebeband möglichst dünne Schichten davon ab.

Das Ergebnis war nicht viel mehr als eine hauchdünne Scheibe einer Bleistiftmine – doch die zeigte beeindruckende Eigenschaften. Jedes Kohlenstoffatom im Graphen ist mit drei anderen verbunden, wobei jedes Atom der einzelnen Paare jeweils ein Elektron beisteuert, um eine ultrafeste Bindung zu erzeugen. Da Kohlenstoffatome aber insgesamt vier Bindungselektronen haben, bleibt eines pro Atom frei, und das kann sich über die gesamte Fläche bewegen. Weil keine Schichten darüber oder darunter die Bewegung hemmen, fließen diese Elektronen fast völlig ungehindert und damit viel schneller als in konventionellen, dreidimensionalen Materialien. Die Strombelastbarkeit eines Graphenbandes könnte bis zu 100-mal so groß sein wie die eines Kupferdrahts.

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Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind das, was Diamanten so hart macht. Graphitbrocken haben dieselben Bindungen innerhalb jeder ihrer graphenähnlichen Schichten. Untereinander sind diese Schichten aber nur schwach gebunden. Sie rutschen leicht über ihre Nachbarn, was dem Material seine charakteristische Weichheit gibt. Für sich allein gesehen allerdings ist eine Graphenschicht wahnsinnig robust für ein nur ein Atom dickes Material. Bei Belastungstests mit der Diamantspitze eines Rasterkraftmikroskops hat es sich als das stabilste Material erwiesen, das je gemessen wurde. Zudem weist es eine außergewöhnlich hohe Steifigkeit auf. Und als ob all das noch nicht genügen würde, ist Graphen auch noch hochgradig undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten und absorbiert Infrarotlicht, während es für sichtbare Wellenlängen transparent ist.

Zweidimensionale Materialien „erreichen die Grenze von dem, was physikalisch und chemisch möglich ist.“

Tomas Palacios, Massachusetts Institute of Technology

Kein Wunder also, dass sich der Ruhm des Materials schnell und weit verbreitet hat. Die National University of Singapore hat schon 2010 ein spezielles Graphen-Forschungszentrum eingerichtet. Um eine im eigenen Land entwickelte Technologie gewinnbringend auszuschöpfen, stellte die britische Regierung im Jahr 2012 zwei Forschungszentren rund 62 Mio. Euro zur Kommerzialisierung von Graphen zur Verfügung, einem in Manchester und einem an der University of Cambridge. Anfang 2014 sagte sie zusammen mit einem Investor aus dem Nahen Osten dann noch einmal knapp 75 Mio. Euro für ein drittes Zentrum zu, ebenfalls in Manchester. Die Europäische Union hat Graphen zu einem ihrer Leuchtturmprojekte mit 1 Mrd. Euro Förderung über zehn Jahre gemacht. Allein im Jahr 2013 wurden 10.000 Forschungsaufsätze über das Material veröffentlicht.

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Bis Ende des Jahres 2013 stieg die Zahl der Patente auf über 5000. Und sie steigt weiter.
Aber gab es all das nicht schon einmal? Buckyballs – etwas offizieller auch Buckminster-Fulleren-Moleküle genannt – galten seinerzeit als Wunderform des Kohlenstoffs und brachten ihren Entdeckern 1996 den Nobelpreis für Chemie ein. Und auch Kohlenstoffnanoröhrchen weckten große Hoffnungen auf stabilere Materialien, effizientere Methoden der Medikamentenverabreichung und sogar „Weltraumaufzüge“, die direkte Fahrten in Erdumlaufbahnen ermöglichen sollten – und vielleicht sogar bis zum Mond.

Diese Träume blieben weitgehend unerfüllt. Kohlenstoffnanoröhrchen bieten zwar viele Vorteile gegenüber konventionellen Materialien, erwiesen sich aber für viele Anwendungen als zu teuer in der Produktion und zu schwierig in der Verarbeitung, erklärt Tim Harper, Mitgründer von G-Heat, einer Nanotechnologiefirma aus London, die an kommerziellen Anwendungen für Graphen arbeitet. Ein ähnliches Schicksal ereilte die Buckyballs. Für Alberto Morpurgo von der Universität Genf ist der Fall des Graphens trotzdem kein bloßes Déjà-vu. „Es gibt etwas Hype um Graphen, aber der ist vollkommen gerechtfertigt“, sagt er.

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Rasantes Wachstum: Das Marktforschungsunternehmen IDTechEx geht bis zum Jahr 2024 von einer Verzwanzigfachung der globalen Umsätze mit dem Material Graphen aus.

Wieso? Tatsächlich sind einige Graphen-Anwendungen bereits heute auf dem Markt. Am fortgeschrittensten sind diejenigen, bei denen die Kombination aus extremer Leichtigkeit und konkurrenzloser Stärke des Materials zur Geltung kommt. Andy Murray, Maria Scharapowa und Novak Djokovic gehören zu den Testimonials einer Reihe von Tennisschlägern des niederländischen Sportartikelherstellers Head. Bei diesen Schlägern ist das Gewicht an der Spitze und am Griff konzentriert, weil der Mittelteil aus einem Graphen-Nanokomposit-Material besteht. „Das macht einen Unterschied“, sagt Jari Kinaret von der Technischen Hochschule Chalmers im schwedischen Göteborg, der das Graphenprojekt der EU leitet.

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James Baker vom National Graphene Institute in Manchester wiederum ist begeistert von der Aussicht, dass Graphen die Luftfahrtbranche revolutionieren könnte. „Es ist möglich, dass sich das Material als disruptiv erweist“, sagt er. Moderne Flugzeugflügel bestehen aus leichten, isolierenden Kompositmaterialien und müssen Kupferdrähte enthalten, um Strom aus möglichen Blitzeinschlägen ableiten zu können. Träfe ein Blitz dagegen auf einen Graphenflügel, wäre der Flügel selbst ein Leiter und könnte den Strom sicher dorthin ableiten, wo er geerdet werden kann.

Was jetzt schon klar ist: Mit den vielfältigen Eigenschaften von Graphen sind die potenziellen Anwendungen noch lange nicht erschöpft. Hoffnungen weckt auch seine Dichtigkeit: Graphen ist eine bemerkenswert effektive Membran, die nicht einmal Gase wie Sauerstoff passieren lässt. Aus diesem Grund untersucht das National Graphene Institut in Manchester, finanziert von der Bill & Melinda Gates Foundation, seine Verwendung in superrobusten, superdünnen Kondomen, die helfen sollen, die Ausbreitung von AIDS abzubremsen. Und Anfang letzten Jahres entstanden an der University of Michigan in Ann Arbor die ersten Infrarotlicht absorbierenden Photodetektoren aus Graphen; sie könnten bald in Nachtsicht-Kontaktlinsen zum Einsatz kommen. Seine Festigkeit, Leitfähigkeit und Transparenz für sichtbares Licht könnten Graphen außerdem zum perfekten Material für leichte, unzerkratzbare Touchscreens machen. Graphen-Entdecker Geim selbst hat schon einen Prototyp dafür, der von einem Partner in Manchester entwickelt wurde, und auch Samsung besitzt bereits Patente für diese Technologie.

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Die Perspektiven sind allerdings nicht an allen Fronten so gut. Eine der meistgepriesenen Anwendungen für Graphen soll der Ersatz von Silizium sein, also dem Material, auf dem die gesamte moderne Computertechnologie basiert. Im Prinzip könnte Graphen ein neues Zeitalter kleiner, effizienter und flexibler Geräte einläuten. Doch genau in diesem Bereich könnten die Gewinne möglicherweise so gering ausfallen, wie das Material dünn ist.

Bei Halbleitern wie Silizium müssen Elektronen mit einer kleinen Energiemenge freigesetzt werden, damit sie Strom leiten. Dieses Aktivieren der Elektronen lässt sich genau kontrollieren, um Informationen zu verarbeiten – genau diese Funktion, das An und Aus, ist das Herzstück des Transistors und der heutigen Silizium-Elektronik. Der Energieunterschied zwischen den beiden Zuständen wird als Bandlücke bezeichnet, und das größte Problem bei Graphen ist, dass es keine hat: Seine Elektronen sind im Wesentlichen frei und transportieren ständig Ladung. „Es wird sehr schwierig werden, einen Graphentransistor auf Aus zu schalten“, sagt Kinaret.

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Auf Umwegen lässt sich aber auch das hinbiegen. Indem man beispielsweise kleinste Mengen anderer Elemente auf eine Graphenoberfläche bringt, kann man die Elektronen etwas in ihrer Bewegungsfreude einschränken. Erste Prototypen nach diesem Muster wurden bereits gebaut. Es gibt allerdings ein noch grundlegenderes Problem auf dem Weg zu allen Anwendungen dieser Art: Graphen beständig in kommerziell verwendbaren Mengen herzustellen ist sehr schwer – die oberste Schicht von Bleistiftminen abzukratzen ist jedenfalls keine praktische Möglichkeit, um im großen Stil Graphen für Elektronik, Luftfahrt und andere anspruchsvolle Branchen zu gewinnen. Noch haben Forscher kein Verfahren so perfektionieren können, dass sich fehlerfrei große Graphenbahnen produzieren lassen. „Ich glaube, derzeit kann niemand auf der Welt Graphen in seiner perfekten Form herstellen“, sagt Ian Walters von der Perpetuus Carbon Group, einem Unternehmen mit einer Produktionsstätte in Ammanford in Großbritannien. Der bislang erfolgreichste Ansatz besteht darin, Graphit zu Dampf zu erhitzen, sodass sich die Kohlenstoffatome anschließend in Graphenschichten auf einer Oberfläche ablagern können. 2013 ist es Forschern beim Elektronikhersteller Sony gelungen, auf diese Weise ein 100 Meter langes, allerdings ein wenig klumpiges Stück Graphen herzustellen.

Walters’ Sorge ist, dass der Hype dazu führen könnte, dass Zulieferer Säcke mit schwarzem Pulver als Graphen bezeichnen, obwohl sie Klumpen mit mehreren Graphenschichten enthalten – also Graphit. Zwar hat auch „Mehrschichtgraphen“ von einigen Atomlagen Dicke ein paar der Wundereigenschaften von echtem Graphen, doch im Moment kann niemand den Käufern garantieren, was sie bekommen. „Der Markt lässt sich gerade verleiten“, sagt Walters. Kinaret schließt sich dem an: „Es gibt viele Leute, die etwas verkaufen, was sie als Graphen bezeichnen. Es gibt noch keine Standards dafür.“

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All das bedeutet, dass es noch viel zu tun gibt, bis Graphen all die Versprechungen erfüllen kann, die dazu gemacht werden. „Theoretiker sagen, dass Graphen beeindruckende Eigenschaften hat“, sagt Walters. In der Praxis aber, so fürchtet er, könnte es Enttäuschungen geben. Für Tomás Palacios, einen Elektroingenieur am Massachusetts Institute of Technology, ist es noch zu früh, sich hier festzulegen. Erst die kommenden Jahre würden zeigen, welchen Wert Graphen für Bereiche wie die Computertechnik wirklich hat. „Es wird sehr schwierig und teuer werden, Silizium abzulösen“, sagt Palacios. „Das wird Jahrzehnte dauern.“

Die obsessive Beschäftigung mit der Frage, ob Graphen seinen Verheißungen gerecht werden kann, bedeutet allerdings, seinen vielleicht wichtigsten Beitrag völlig zu übersehen: Das Material ist der Wegbereiter für eine ganze Familie neuartiger zweidimensionaler Materialien. Silizium, Phosphor, Germanium oder Zinn – 2-D-Versionen all dieser Elemente werden bereits als das „neue Graphen“ gefeiert. Bei Stanen, der flachen Version von Zinn, passiert das schon, bevor das Material überhaupt im Labor hergestellt werden konnte.

Warum diese Aufregung? „Keine anderen Materialien sind dünner, stabiler und transparenter als diese“, sagt Palacios. „Sie erreichen die Grenze von dem, was physikalisch und chemisch möglich ist.“ Entscheidend ist aber: Vieler dieser 2-D-Materialien haben etwas, was Graphen fehlt – nämlich eine Bandlücke. Silizen zum Beispiel, die im Jahr 2012 erstmals isolierte 2-D-Version von Silizium, sieht zumindest auf dem Papier aus wie der ideale Kandidat für die weitere Miniaturisierung von Elektronik.

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Trotzdem gibt es bislang keinen Transistor oder irgendein sonstiges Bauteil aus Silizen. Erst Mitte 2013 konnten Wissenschaftler des Nationalen Forschungsrats in Italien beweisen, dass Silizen an der Luft stabil ist – zumindest 24 Stunden lang. Bei zusammengesetzten 2-D-Materialien ist man schon weiter. Eines der am besten untersuchten ist eine 2-D-Version von Molybdändisulfid die ebenfalls eine Bandlücke aufweist. Dünne 2-D-Kristalle des Materials können in ihren Randgebieten Licht sammeln und dessen Energie sehr effizient in Strom umwandeln. Und obwohl 2-D-Molybdändisulfid nicht so stabil ist wie Graphen, sagt Kinaret, können daraus sehr schnelle Transistoren gebaut werden.

Insgesamt sind etwa 500 Feststoffe bekannt, die vielversprechende Ausgangspunkte für 2-D-Materialien sein könnten. „Das ist wirklich eine ganze Familie von Materialien“, sagt Palacios. „Graphen war nur zufällig das erste, das entdeckt wurde.“ Und die Erfahrungen, die mit Graphen gesammelt werden konnten, zahlen sich bereits aus. Für seine Produktion entwickelte Methoden zum Beispiel beschleunigen jetzt die Nutzung anderer neuartiger Materialien. „Graphen hat ein neues Forschungsfeld entstehen lassen“, sagt Andrea Ferrari, Leiter des Cambridge Graphene Centre.

Möglicherweise entsteht dadurch eine positive Rückkopplung. Die Verwendung von Graphen zusammen mit einem anderen 2-D-Material könnte das Bandlückenproblem lösen. 2012 hat ein Team, in dem Geim und Novoselov mitgearbeitet haben, einen Transistor aus Molybdändisulfid zwischen zwei Lagen Graphen hergestellt.

Ähnliches gilt für Solarzellen aus Graphen: Wegen seiner Transparenz ist das Material allein dafür nicht geeignet. In Kombination mit einem 2-D-Material, das Licht besser absorbiert, könnten seine guten elektrischen Eigenschaften dazu dienen, die Elektronen so richtig flitzen zu lassen. „Es gibt kein Material, das sich gut für alle Anwendungen eignet“, sagt Palacios, „die Lösung wird in einer Kombination liegen.“ Alle neu entstehenden Graphen-Institute beschäftigen sich auch mit anderen 2-D-Materialien. Das Zentrum in Singapur hat sich letztes Jahr sogar explizit in ein „Zentrum für hochentwickelte 2-D-Materialien“ umbenannt.

Auch Geim selbst richtet seine Aufmerksamkeit nicht mehr auf das von ihm mitentdeckte Material. „Graphen ist wissenschaftlich gut untersucht, und mittlerweile arbeiten Hunderte von Forschungsgruppen daran. Das sollen sie ruhig machen“, sagt er. Er selbst beschäftigt sich jetzt mit etwas, was er als Van-der-Waals-Materialien bezeichnet: 2-D-Schichten von unterschiedlichen Substanzen, die wie bei Graphit von schwachen Van-der-Waals-Bindungen zusammengehalten werden. Dabei handelt es sich um Neuland, wie er sagt, und genau dort fühlt er sich wohl. „Ich bin kein Industrieller oder Immobilienentwickler. Ich tue das, was ich am besten kann, besser als andere. Und das ist, neue wissenschaftliche Felder zu erkunden.“

„Graphen hat ein neues Forschungsfeld entstehen lassen.“

Andrea Ferrari, Cambridge Graphene Centre

Für andere ist es eine andere Geschichte. Das Potenzial von Graphen, ob alleine oder in Kombination mit anderen Materialien genutzt, ist groß genug, um unzählige Forscher eine ganze Weile glücklich zu machen. Flugzeugflügel? Kondome? Flexible tragbare Elektronik? Vielleicht wird es all das tatsächlich bald geben – vielleicht aber auch nicht. Für Ferrari sollte das eigentliche Ziel in der Welt der 2-D-Materialien ohnehin nicht darin liegen, bereits Bestehendes auf neue Weise zu reproduzieren, sondern darin, etwas zu erschaffen, von dem heute niemand auch nur zu träumen wagt. Palacios sieht das ähnlich. „Niemand wusste vom einem Transistor, bevor es den Transistor gab“, sagt er.

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