Graphen: 5 Dinge, die du zum Stoff, der die Welt verändern wird, wissen musst

1. Mai 2014 0 Kommentar(e)

Flexible Smartphones; transparente, formbare Super-Akkus; faltbare, aufrollbare Touchscreens; transparente Solarzellen auf Fenstern und Mauern; extrem leichte Flugzeuge, deren Flügel nicht vereisen; Kleidung, die nie nass wird: Das aus einer zweidimensionalen Atomebene bestehende und in Wabenform angeordnete Supermaterial Graphen verspricht die Elektronik-Branche dank einzigartiger Eigenschaften einen riesigen Schritt nach vorne zu bringen. Neben den genannten Beispielen ist von enorm leistungsfähigen Prozessoren und dem Ende des Silizium-Zeitalter die Rede.

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In Fachkreisen wurde bis zum ersten Nachweis im Jahr 2004 bezweifelt, ob etwas derartiges überhaupt möglich ist. Seinen Entdeckern Konstantin Novoselov und Andre Geim bescherte der Wunderstoff Graphen im Jahr 2010 aber schließlich den verdienten Physik-Nobelpreis. Doch was ist Graphen überhaupt, wozu kann es eingesetzt werden und welche Anwendungsmöglichkeiten sind noch denkbar? Wir haben die 5 wichtigsten Fragen zum Thema Graphen für euch zusammengefasst.

1. Was ist Graphen?

Graphen ist dünn, hart und biegsam zugleich. Es vereint Materialeigenschaften, die bis vor einigen Jahren noch als physikalisch undenkbar galten. Genauer betrachtet handelt es sich bei Graphen um eine zweidimensionale Kohlenstoffwabe, die leicht, transparent, härter als Diamant, so dehnbar wie Gummi und in Sachen Strom und Wärme extrem leitfähig ist. Es gilt heute als das stabilste und leitfähigste Material der Welt, so ist es 125 Mal zugfester als Stahl, kann Strom tausendmal besser als Kupfer oder Silizium und nahezu verlustfrei übertragen sowie Wärme extrem effizient ableiten.

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Bildquelle: Universität Erlangen

Dank seiner speziellen Eigenschaften kann Graphen in jede beliebige Form gebracht werden. So lässt sich das transparente Graphen beispielsweise auch als Schicht auf ein Objekt, etwa ein Fenster, auftragen. Gleichzeitig bleibt es stets flexibel und lässt sich theoretisch zusammenknüllen oder dehnen. Auch Verbundstoffe mit anderen Materialen sind denkbar, wodurch sich wiederum völlig neue Möglichkeiten ergeben.

2. Wie wird Graphen gewonnen?

Vereinfacht ausgedrückt, ist Graphen eine einzelne Grafit-Schicht, die entsteht, wenn etwa eine Bleistiftmine in hauchdünne (auf Atomebene) Scheiben zerteilt wird.

Die Herstellung ist momentan noch relativ aufwendig und deshalb teuer. Einzelne Graphen-Schnippsel lassen sich mit einer archaisch anmutenden Methode zwar auch mit gewöhnlichen Haushaltsmitteln gewinnen, für den industriellen Einsatz ist dies aber nicht zu gebrauchen.

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Bildquelle: By Gabriel Hildebrand (Nobelmuseet) [Public domain], via Wikimedia Commons

Die ersten Graphen-Proben wurden durch den so genannten “Klebebandtest” gewonnen: Ein Streifen Klebeband wird dabei von einem Graphitblock schnell abgezogen, wobei im Klebeband Graphit hängen bleibt. Dieses wird anschließend mit Fotolack beschichtet, in einen Silicium-Wafer gepresst und wiederum abgezogen. Nach und nach entstehen so immer dünnere Schichten, bis man Graphitfilme erhält, die dünner als 50 nm sind, an deren Rändern man nun nach zweidimensionalen Graphen suchen kann.

Mit dieser Methode lässt sich zwar hochwertiges Graphen gewinnen, allerdings ist das Ganze überaus zeitaufwendig und somit teuer. An einer effizienteren Gewinnung wird aber gearbeitet, Details dazu findest du bei Punkt 5.

3. Wo wird Graphen heute schon eingesetzt?

Graphen wird in Touchscreens von Smartphones bereits jetzt eingesetzt. Dabei ersetzt es das seltene und deshalb teurere Mineral Iridium, wobei sich in Geräten, die Graphen nutzen, keinerlei technischen Unterschiede bemerkbar machen. In teurer Labor-Ausrüstung, etwa in Transmissionselektronenmikroskopen, wird Graphen ebenfalls verwendet. Der Sportartikelhersteller “Head” behauptet, Graphen bei der Herstellung von Tennisschlägern zu verwenden. Der Graphen-Entdecker Konstantin Novoselov hält dies aber für eher unwahrscheinlich.

In näherer Zukunft sollen zudem Anwendungsgebiete in der Biologie und Biotechnologie hinzu kommen, etwa in Form von Trägermaterial für Biosensoren oder zur Beschleunigung von DNA-Sequenzierung.

4. Welche Anwendungen sind mit Graphen künftig denkbar?

Flexible Smartphone; transparente, formbare Super-Akkus; faltbare, aufrollbare Touchscreens; Kleidung, die nie nass wird; transparente Solarzellen auf Fenstern und Mauern; extrem leichte Flugzeuge, deren Flügel nicht vereisen: die theoretischen Einsatzmöglichkeiten von Produkten auf Graphen-Basis sind weit gefächert und aus heutiger Sicht abenteuerlich. Dieser etwas übertrieben wirkende Optimismus wird von Forschern größtenteils jedoch bestätigt, denn Graphen könnte nicht nur die Elektronik-Branche fundamental revolutionieren. In einigen Jahren oder Jahrzehnten könnten dieser oder ähnliche Stoffe das heute zum absoluten Standard gehörende Silizium komplett ersetzen.

Bei Prozessoren auf Silizium-Basis ist laut Wissenschaftlern bei 5 GHz das physikalische Maximum erreicht. Mit Graphen sollen Prozessoren mit bis zu 1000 GHz möglich sein, also etwa die 200-fache Leistung von heute erhältlichen CPUs.

Graphen selbst könnte aber nur der Anfang vieler weiterer, bahnbrechender Entdeckungen sein, denn schließlich wurde mit dessen Entdeckung im Jahr 2004 erstmalig bewiesen, dass zweidimensionale Stoffe existieren und für verschiedene Anwendungsgebiete nutzbar gemacht werden können.

5. Wo und woran wird zum Thema Graphen aktuell geforscht?

An der Nutzbarmachung von Graphen wird weltweit mit Hochdruck gearbeitet. Die EU hat im Oktober 2013 die stattliche Summe von 1 Milliarde Euro in die Hand genommen und ein Projekt für die Graphen-Forschung ins Leben gerufen, an dem insgesamt 126 Forschungsgruppen beteiligt sind.

Das Samsung Advanced Institute of Technology hat jüngst einen Durchbruch vermeldet, da mit einem neu entwickelten Verfahren erstmals große Graphen-Flächen erzeugt werden konnten. Bislang konnte Graphen nur vergleichsweise teuer und auf kleine Flächen beschränkt gewonnen werden, das neue Prozedere könnte den Weg in die Serienreife geebnet haben.

Auch IBM, Nokia oder Sandisk forschen intensiv an Graphen und tüfteln an Sensoren, Transistoren und Speicher auf Basis der Kohlenstoff-Schicht. In Shanghai wurde an der Jiao Tong Universität ein dehnbarer, elektrisch leitender Graphen-Schaum entwickelt, wodurch unter anderem beliebig faltbare Bildschirme oder auch flexible Akkus realisierbar werden. An der University of Michigan wurde ein ultradünner Bildverarbeitungssensor entwickelt, der etwa in Kontaktlinsen eingesetzt werden könnte und so die Sehfähigkeit bei Dunkelheit verstärkt.

Weiterführende Links: Graphen auf Wikipedia, Artikel Uni Erlangen, Artikel Spiegel Online, Graphene Flagship Projekt

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