Graphen

Physik-Nobelpreis - atomarer Kaninchendraht für Super-Chips

06.10.2010
Es ist leicht und stabil wie kein zweiter Stoff auf der Erde.

Das "Wundermaterial" Graphen, eine Art Kaninchendraht aus Kohlenstoff, lässt ganz neue Materialien und superschnelle Computerchips am Horizont erscheinen. Seine Entdecker bekommen den Physik-Nobelpreis.

Andre Geim und Konstantin Novoselov bekommen den Physik-Nobelpreis 2010.
Andre Geim und Konstantin Novoselov bekommen den Physik-Nobelpreis 2010.

Eine Rolle Klebeband bringt den Physikern Andre Geim und Konstantin Novoselov den Physik-Nobelpreis 2010 ein: Mit gewöhnlichem Klebefilm stellten die beiden Physiker das dünnste und härteste Material her, das je auf der Erde produziert worden ist. Dieses "Wundermaterial" namens Graphen (gesprochen "Grafehn") hat fast jeder zu Hause: Es steckt milliardenfach übereinandergestapelt in einer Bleistiftmine aus Graphit. Die Kunst von Geim und Novoselov war es, eine einzelne Lage Graphen zu isolieren. Dazu lösten sie mit Klebeband dünne Schichten Graphit ab und wiederholten dies so oft, bis nur noch eine Atomschicht übrig blieb.

Graphen besteht aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen, die wie ein Maschendraht angeordnet sind. Dieser atomare Kaninchendraht hat zahlreiche bemerkenswerte Eigenschaften: So ist Graphen, gemessen an seiner Dicke, so stabil wie nichts sonst auf der Welt. "Es ist 100 mal so kräftig wie Stahl", schwärmt etwa Nobel-Juror Per Delsing in Stockholm. Und dabei federleicht: "Ein Quadratmeter wiegt nur tausendstel Gramm", erläutert der Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Wolfgang Sandner. "Eine Hängematte aus Graphen wäre in der Lage, eine Katze zu tragen, obwohl die Hängematte wesentlich dünner wäre als ein einzelnes Barthaar der Katze."

Der Stoff ist außerdem extrem dehnbar und leitet Hitze und elektrischen Strom besonders gut. So hat etwa der Computerriese IBM bereits einen Transistor aus Graphen gebaut, einen elektronischen Schalter, der sich 100 Milliarden Mal pro Sekunde an- und ausschalten kann. Mit dieser Schaltfrequenz von 100 Gigahertz ist der Transistor den besten Modellen aus herkömmlichem Silizium um mindestens das Zehnfache überlegen.

"Man munkelt, Graphen sei das nächste Silizium", sagte Geim kürzlich der Nachrichtenagentur dpa. "All das ist zurzeit aber nur Spekulation. Wir wissen noch nicht genug über Graphen, um das jetzt zu beurteilen." Hunderte mögliche Anwendungen des Materials werden diskutiert. Darunter sind intelligente Fensterscheiben, die die Sonneneinstrahlung regulieren, ultradünne Touchscreens, rollbare Leuchtdioden und neue Beschichtungen für Solarzellen.

Graphen im Modell erinnert in der Tat an Kaninchendraht. (Rendering: AlexanderAlUS via Wikimedia Commons)
Graphen im Modell erinnert in der Tat an Kaninchendraht. (Rendering: AlexanderAlUS via Wikimedia Commons)
Foto: Wikimedia Commons, AlexanderAIUS

Der atomare Kaninchendraht ist so engmaschig, dass er nicht einmal die kleinsten Gasmoleküle passieren lässt, die wir kennen, das Helium. Außerdem hat das "Wundermaterial" eine Eigenschaft, die es von fast allem auf der Welt unterscheidet: Ihm fehlt die dritte Dimension. "Alles um uns herum hat Länge, Breite und Dicke", erläutert Geim. Graphen dagegen fehlt die Dicke, es besteht nur aus einer einzelnen Atomlage. Wozu sich das ausnutzen lässt, ist derzeit weitgehend Spekulation.

Die Entdeckungsgeschichte von Graphen ist ähnlich bemerkenswert wie das Material selbst: Alles begann als Spielerei, wie Geims Laborkollege Novoselov einmal erzählte. An der Universität von Manchester, wo die beiden Physiker russischer Herkunft arbeiten, pflegen sie die Tradition, einen kleinen Teil ihrer Arbeitszeit mit "verrückten" Experimenten zu verbringen, mit Spielereien. So sei auch die Idee entstanden, einzelne Atomlagen aus einer Graphitschicht per Klebeband herauszulösen.

"Wir haben einfach immer weitergemacht, bis wir irgendwann eine einzelne Schicht entdeckten: Graphen", schilderte Geim der dpa. Und zum Erstaunen der Forscher zersetzte es sich nicht, sondern blieb bei Raumtemperatur und an der Luft stabil. "Man dachte immer, dass solche extrem dünnen Substanzen instabil sind."

Die Entdeckung ist erst sechs Jahre alt. Dennoch ist die Auszeichnung nicht verfrüht, findet Physiker-Präsident Sandner: "Auch wenn wir die Anwendungsbreite jetzt noch nicht kennen, ist es ein sehr gereiftes Gebiet und durchaus nobelpreiswürdig."

Geim rechnet in rund fünf Jahren mit den ersten kommerziellen Anwendungen. Welche das sein werden, erwartet der frisch gekürte Nobelpreisträger selber mit Spannung: "Das weiß ich erst, wenn die Produkte im Supermarktregal stehen." (dpa/tc)