Was ist dünner als ein Haar, aber stärker als Stahl?

Stell dir ein Material vor, das stärker als Stahl, transparenter als Glas und dünner als ein menschliches Haar ist. Tipp: Es ist kein Kryptonit. Aida Rafat, eine Assistenzingenieurin bei ConocoPhillips, die das Katar-Finale unseres internationalen Wissenschaftskommunikationswettbewerbs FameLab gewonnen hat, erklärt es.

Was ist Graphen?

Es ist das außergewöhnlichste Material, das theoretisch Science Fiction sein sollte. Es hat zahllose Anwendungen und phänomenale Eigenschaften, die Wissenschaftler in helle Aufregung versetzen.

Dieser zweidimensionale Wunderstoff hat einen einfachen Ursprung. Graphen ist der Grundbaustein von Graphit, einer grundlegenden Form von Kohlenstoff und ein reichlich vorhandenes Mineral. Graphit besteht aus Tausenden von Graphenschichten, die übereinander gestapelt sind. Wir kennen es als Bleistiftmine. Technisch gesehen hat also jeder Mensch, der jemals eine Linie mit einem Bleistift gezogen hat, Graphen hergestellt.

Wie haben Wissenschaftler es entdeckt?

Zufällig. Und das dank eines Klebebands. Im Jahr 2004 arbeiteten zwei Forscher der Universität Manchester, Andre Geim und Kostantin Novoselov, in einem Labor. Sie untersuchten die elektrischen Eigenschaften von Graphit und beschlossen, Klebeband zu verwenden, um zu sehen, ob sie dünnere Flocken abziehen konnten. Sie schälten immer mehr Schichten von der ursprünglich gespaltenen Graphitscheibe ab, bis sie feststellten, dass sie eine Schicht mit einer Dicke von einem einzigen Atom erhalten hatten. Was sie geschaffen hatten, war Graphen, und sie erhielten später den Nobelpreis für Physik 2010 für ihre Entdeckung.

Was macht Graphen so besonders?

Graphen hat erstaunliche und einzigartige mechanische, elektrische, thermische und optische Eigenschaften.

Erstens, es ist stark. Früher dachte man, dass zweidimensionale Materialien einfach auseinanderfallen würden. Tatsächlich aber ist Graphen das stärkste Material, das je getestet wurde: etwa 200 Mal stärker als Stahl. Eine Hängematte aus einem Quadratmeter Graphen würde das Gewicht einer stämmigen Vier-Kilo-Katze tragen, aber nur so viel wiegen wie ein Schnurrhaar der Katze mit 0,77 mg (etwa 100.000 Mal leichter als ein Quadratmeter Papier).

Zweitens behält Graphen trotz seiner enormen Stärke seine Flexibilität und Elastizität. Man kann es biegen, und es ist transparent: beides sehr wichtige Eigenschaften in der Elektronik, denn es bedeutet, dass man damit biegsame, transparente Touchscreens für Computer und mobile Geräte herstellen könnte.

Drittens leitet es Strom hervorragend. Tatsächlich bewegen sich die Elektronen durch Graphen schneller als durch jedes andere getestete Material. Wissenschaftler können Graphen „dopen“, indem sie ihm auf chemischem Wege Elektronen hinzufügen oder entfernen. Je mehr Elektronen hinzugefügt werden, desto mehr Strom kann erzeugt werden. Dotiertes“ Graphen könnte den Strom sogar besser leiten als Kupfer.

Viertens ist Graphen super undurchlässig, so dass selbst kleinste Moleküle wie Helium nicht in das Material eindringen können. Dies könnte eine sehr wichtige Eigenschaft sein, da es uns ermöglichen würde, Graphen zur Trennung von Flüssigkeiten und Gasen zu verwenden.

Was ist anders an der Struktur von Graphen?

Graphen hat eine sehr einzigartige Struktur, wie ein wabenförmiges Gitter aus Kohlenstoffatomen. Ungewöhnlich ist, wie diese Atome miteinander interagieren.

Ein Kohlenstoffatom hat sechs Elektronen, von denen vier in der äußeren Schale sitzen, bereit, sich mit anderen Atomen zu verbinden, um Moleküle zu bilden. In Graphen gehen jedoch nur drei dieser Elektronen eine enge Bindung mit den Nachbaratomen ein, wodurch eine extrem starke und enge Bindung entsteht. Das vierte Elektron bleibt ungebunden. Diese ungebundenen Elektronen verhalten sich ganz anders als üblich. Sie verhalten sich wie Lichtteilchen oder Photonen und bewegen sich tatsächlich mit Lichtgeschwindigkeit über die Graphenschicht, was Graphen seine phänomenalen elektrischen Eigenschaften verleiht.

Wie sieht Graphen aus?

Mit bloßem Auge können wir Graphen nicht sehen. Es ist das dünnste Material, das je entdeckt wurde. Ein Blatt Graphen ist 1.000 Mal dünner als ein menschliches Haar. Die Wissenschaftler, die es entdeckten, konnten die Graphen-Flocken nur deshalb sehen, weil sie sie auf eine Siliziumoxidscheibe gelegt hatten. Hätten sie ein anderes Material verwendet, hätten sie es vielleicht gar nicht gesehen.

Wird Graphen bereits für irgendetwas verwendet?

Viele große Unternehmen, wie IBM und Samsung, untersuchen Graphen sehr genau. Eine der größten Herausforderungen, vor denen die Elektronikindustrie derzeit steht, ist, dass wir an die Grenzen der Siliziumtransistoren (die elektrische Signale verstärken und leiten) stoßen. Mit anderen Worten: Wie können wir immer kleinere Siliziumtransistoren herstellen, damit die Unternehmen dünnere und gleichzeitig leistungsfähigere Smartphones, Tablets und Computer produzieren können?

Das Problem ist, dass wir bereits die Grenzen der Möglichkeiten von Siliziumtransistoren erreicht haben. Wir können sie einfach nicht mehr kleiner machen. Mit Graphen gibt es jedoch ein großes Potenzial, noch weiter zu gehen und sogar transparente Touchscreens und Elektronik herzustellen.

Es geht nicht nur um Computer. Eine der aktuellen kommerziellen Anwendungen, bei denen Graphen zum Einsatz kommt, ist ein Tennisschläger von einem Unternehmen namens HEAD. Der Schläger scheint viel leistungsfähiger und viel leichter zu sein – zwei wesentliche Eigenschaften eines idealen Tennisschlägers!

Wofür könnte Graphen in Zukunft noch eingesetzt werden?

Die Verkehrsindustrie könnte Graphen mit einem bestehenden Verbundwerkstoff mischen, um stärkere und leichtere Flugzeuge und Autos herzustellen. Aufgrund seiner Undurchlässigkeit wäre Graphen auch ein hervorragendes Beschichtungsmaterial, um Korrosion zu verhindern.

Beschichtet man Kunststoff mit Graphen, erhält man einen elektrisch leitfähigen Kunststoff. Oder ein Elektronikunternehmen könnte sich die Flexibilität von Graphen zunutze machen und damit ein Tablet herstellen, das man wie eine Zeitung falten kann, oder ein winziges Smartphone, das man an sein T-Shirt kleben kann.

Graphen kann die Lebensdauer einer herkömmlichen Lithiumbatterie drastisch verbessern und die Ladezeit erheblich verkürzen. Es kann zur Speicherung von Solarenergie oder zur Herstellung von Superkondensatoren (riesige Batterien, die in Elektroautos und Aufzügen verwendet werden) verwendet werden.

Wissenschaftler sprechen auch über die Verwendung von Graphenfiltern zur Entsalzung, um Meerwasser in Trinkwasser zu verwandeln, und als Medikamentenverabreichungssystem für die Krebsbehandlung.

Ist Graphen patentierbar?

Die Patentierung von Graphen ist eines der am heißesten diskutierten Themen in der Wissenschaft. Graphen selbst kann nicht patentiert werden, da es aus Kohlenstoff – einem natürlich vorkommenden Material – gewonnen wird. Außerdem wissen die Wissenschaftler seit dem 20. Jahrhundert über Graphen Bescheid, sie wussten nur nicht, wie sie es isolieren können.

Dennoch haben viele Organisationen Graphen-Geräte und Verfahren zur Herstellung von Graphen patentiert. Ich weiß nicht, ob die beiden Wissenschaftler, die Graphen entdeckt haben, dadurch reich geworden sind. Aber sie sind sehr berühmt geworden und haben den Nobelpreis erhalten. Ihre wissenschaftliche Arbeit über die bahnbrechende Entdeckung von Graphen wurde schließlich in Science veröffentlicht, und die Arbeit selbst wurde in die Liste der 100 am häufigsten zitierten Arbeiten aller Zeiten aufgenommen. Das ist eine Leistung, von der jeder Forscher träumt.

Aida Rafat ist Assistenzingenieurin bei ConocoPhillips. Du kannst sie beim internationalen FameLab-Finale am 8. und 9. Juni 2016 beobachten.