Was ist Graphen? Das müssen Sie über ein Material wissen, das das nächste Silizium sein könnte

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Graphen, ein aufstrebendes Material, das die Art und Weise, wie elektronische Komponenten hergestellt werden, verändern und dazu beitragen könnte, die Rechenleistung weiter zu steigern, ist in der Forschungswelt dieser Tage allgegenwärtig.

Alleine in diesem Monat deuteten Fortschritte darauf hin, dass es die Internetgeschwindigkeit erhöhen, als berührungsempfindliche Beschichtung dienen und die Lebensdauer von Computern verlängern könnte. Es ist stärker als Diamant und leitet Elektrizität und Wärme besser als jedes andere jemals entdeckte Material, und es wird in Zukunft wahrscheinlich eine wichtige Rolle in vielen Produkten und Prozessen spielen.

Was ist Graphen?

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem sich wiederholenden Muster von Sechsecken miteinander verbunden sind. Graphen ist eine Million Mal dünner als Papier; so dünn, dass es sogar als zweidimensional betrachtet wird.

Kohlenstoff ist ein unglaublich vielseitiges Element. Je nachdem, wie die Atome angeordnet sind, kann es harte Diamanten oder weichen Graphit ergeben. Das flache Bienenwabenmuster von Graphen verleiht ihm viele ungewöhnliche Eigenschaften, darunter den Status des stärksten Materials der Welt. James Hone, Professor für Maschinenbau an der Columbia University, sagte einmal, es sei „so stark, dass ein Elefant auf einem Bleistift balancieren müsste, um eine Graphenschicht von der Dicke von Saran-Folie zu durchbrechen“, so die Universität.

Diese einzelnen Schichten aus Kohlenstoffatomen bilden die Grundlage für andere wichtige Materialien. Graphit – oder Bleistiftmine – entsteht, wenn man Graphen stapelt. Kohlenstoff-Nanoröhren, ein weiteres aufstrebendes Material, werden aus gerolltem Graphen hergestellt. Sie werden in Fahrrädern, Tennisschlägern und sogar in der lebenden Gewebezüchtung verwendet.

Wie wurde es entdeckt?

Die Chancen stehen gut, dass Sie Graphen schon oft in Ihrem Leben hergestellt haben. Wenn Sie mit einem Bleistift eine Linie ziehen, werden kleine Graphenstücke abplatzen. Aber bis Anfang der 2000er Jahre hatte niemand sowohl die Werkzeuge als auch das Interesse, freistehendes Graphen zuverlässig zu isolieren.

Graphen wurde erstmals in den 1940er Jahren theoretisch untersucht. Damals hielten es die Wissenschaftler für physikalisch unmöglich, dass ein zweidimensionales Material existiert, weshalb sie die Isolierung von Graphen nicht weiterverfolgten. Jahrzehnte später erwachte das Interesse, und die Forscher begannen, Techniken zu entwickeln, um Graphit zu zerlegen. Sie versuchten, Moleküle zwischen Graphenschichten einzuklemmen und Graphit zu schaben und zu reiben, aber sie erreichten nie eine einzige Schicht. Schließlich gelang es ihnen, Graphen auf anderen Materialien zu isolieren, aber nicht allein.

Im Jahr 2002 interessierte sich der Forscher Andre Geim von der University of Manchester für Graphen und forderte einen Doktoranden auf, ein Stück Graphit auf so wenige Schichten wie möglich zu schleifen. Dem Studenten gelang es, 1.000 Schichten zu erreichen, aber er konnte Geims Ziel von 10 bis 100 Schichten nicht erreichen. Geim versuchte einen anderen Ansatz: Klebeband. Er trug es auf Graphit auf und zog es ab, um Flocken aus geschichtetem Graphen zu erzeugen. Durch weiteres Abziehen des Klebebands entstanden immer dünnere Schichten, bis er ein Stück Graphen mit einer Dicke von 10 Schichten hatte.

Geims Team arbeitete an der Verfeinerung ihrer Technik und stellte schließlich eine einzige Schicht aus Kohlenstoffatomen her. Im Oktober 2004 veröffentlichten sie ihre Ergebnisse in „Science“. Für ihre Arbeit erhielten Geim und sein Kollege Kostya Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik.

Seit diesen ersten mit Klebeband hergestellten Flocken hat sich die Graphenproduktion in rasantem Tempo verbessert. Im Jahr 2009 gelang es den Forschern, eine Graphenschicht mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern herzustellen.

Warum ist das so ungewöhnlich?

Die Arbeit von Geim und Novoselov war für andere Wissenschaftler von großem Interesse, weil sie die seltsamen physikalischen Eigenschaften von Graphen beschrieb. Elektronen bewegen sich unglaublich schnell durch Graphen und beginnen, sich so zu verhalten, als wären sie masselos, und ahmen damit die Physik nach, die Teilchen auf kleinstem Raum beherrscht.

„Diese Art von Wechselwirkung innerhalb eines Festkörpers ist, soweit man weiß, einzigartig für Graphen“, schrieben Geim und ein weiterer berühmter Graphenforscher, Philip Kim, 2008 in einem Artikel im Scientific American. „Dank dieses neuartigen Materials aus einem Bleistift ist die relativistische Quantenmechanik nicht länger auf die Kosmologie oder die Hochenergiephysik beschränkt; sie hat nun Einzug in das Labor gehalten.“

Die besonderen Eigenschaften von Graphen beschränken sich nicht nur auf die seltsame Physik. Es ist auch:

• Leitfähig: Elektronen sind die Teilchen, aus denen Elektrizität besteht. Wenn Graphen es also ermöglicht, dass sich Elektronen schnell bewegen, dann ermöglicht es auch, dass sich Elektrizität schnell bewegt. Es ist bekannt, dass sich die Elektronen 200-mal schneller bewegen als in Silizium, weil sie sich mit so wenig Unterbrechung fortbewegen. Es ist auch ein hervorragender Wärmeleiter. Graphen ist unabhängig von der Temperatur leitfähig und funktioniert normalerweise bei Raumtemperatur.
• Stark: Wie bereits erwähnt, bräuchte man einen Elefanten mit ausgezeichnetem Gleichgewichtssinn, um ein Blatt Graphen zu durchbrechen. Graphen ist aufgrund seines ununterbrochenen Musters und der starken Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen sehr stark. Selbst wenn Graphen-Flächen zusammengenäht werden, bleibt es das stärkste Material, das es gibt.
• Flexibel: Die starken Bindungen zwischen den Graphen-Kohlenstoffatomen sind auch sehr flexibel. Sie können bis zu einem gewissen Grad verdreht, gezogen und gebogen werden, ohne zu brechen, was bedeutet, dass Graphen biegbar und dehnbar ist.
• Transparent: Graphen absorbiert 2,3 Prozent des sichtbaren Lichts, das auf es trifft, was bedeutet, dass man hindurchsehen kann, ohne geblendet zu werden.

Wofür kann es verwendet werden?

Die Verwendung von Graphen im Alltag ist nicht weit entfernt, was zum Teil auf die bestehende Forschung an Kohlenstoff-Nanoröhren – der gerollten, zylindrischen Version von Graphen – zurückzuführen ist. Die Röhren wurden durch einen Artikel aus dem Jahr 1991 bekannt (Abonnement erforderlich) und werden für ihre unglaublichen physikalischen Eigenschaften angepriesen, von denen die meisten denen von Graphen sehr ähnlich sind. Es ist jedoch einfacher, große Graphenblätter herzustellen, und es kann auf ähnliche Weise wie Silizium hergestellt werden. Viele der derzeitigen und geplanten Anwendungen für Kohlenstoffnanoröhren werden nun an Graphen angepasst.

Einige der wichtigsten neuen Anwendungen sind:

• Solarzellen: Solarzellen beruhen auf Halbleitern, die das Sonnenlicht absorbieren. Halbleiter bestehen aus einem Element wie Silizium und haben zwei Schichten von Elektronen. In der einen Schicht sind die Elektronen ruhig und bleiben an der Seite des Halbleiters. In der anderen Schicht können sich die Elektronen frei bewegen und bilden einen Stromfluss. Solarzellen funktionieren, indem sie die Energie von Lichtteilchen auf die ruhigen Elektronen übertragen, die dadurch angeregt werden und zur frei fließenden Schicht springen, wodurch mehr Strom erzeugt wird. Die Elektronenschichten von Graphen überlappen sich sogar, was bedeutet, dass weniger Lichtenergie benötigt wird, um die Elektronen dazu zu bringen, zwischen den Schichten zu springen. In Zukunft könnte diese Eigenschaft zu sehr effizienten Solarzellen führen. Die Verwendung von Graphen würde auch Zellen ermöglichen, die hunderttausendmal dünner und leichter sind als solche, die auf Silizium basieren.

  

• Transistoren: Computerchips sind auf Milliarden von Transistoren angewiesen, um den Stromfluss in ihren Schaltkreisen zu steuern. Die Forschung hat sich hauptsächlich darauf konzentriert, Chips durch den Einbau von mehr Transistoren leistungsfähiger zu machen, und Graphen könnte sicherlich zu den bisher dünnsten Transistoren führen. Aber Transistoren können auch leistungsfähiger gemacht werden, indem man den Elektronenfluss beschleunigt – die Teilchen, aus denen Elektrizität besteht. Die Wissenschaft nähert sich der Grenze, wie klein Transistoren sein können, und Graphen könnte diese Grenze verschieben, indem es sowohl die Elektronen schneller bewegt als auch ihre Größe auf einige Atome oder weniger reduziert.
• Transparente Bildschirme: Geräte wie Plasmafernseher und Telefone sind üblicherweise mit einem Material namens Indiumzinnoxid beschichtet. Die Hersteller suchen aktiv nach Alternativen, die die Kosten senken und eine bessere Leitfähigkeit, Flexibilität und Transparenz bieten könnten. Graphen ist eine aufkommende Option. Es ist nicht reflektierend und erscheint sehr transparent. Aufgrund seiner Leitfähigkeit eignet es sich auch als Beschichtung für Touchscreen-Geräte. Da Graphen sowohl stark als auch dünn ist, kann es sich biegen, ohne zu brechen, was es zu einer guten Ergänzung für die biegsame Elektronik macht, die bald auf den Markt kommen wird.

Graphen könnte auch für Kamerasensoren, DNA-Sequenzierung, Gassensorik, Materialverstärkung, Wasserentsalzung und darüber hinaus eingesetzt werden.

Was sind die Kritikpunkte?

Graphen befindet sich im Vergleich zu entwickelten Materialien wie Silizium und ITO noch in einem kindlichen Stadium. Damit es sich auf breiter Basis durchsetzen kann, muss es in großen Mengen zu Kosten hergestellt werden können, die gleich oder niedriger sind als bei den bestehenden Materialien. Neue Roll-to-Roll-, Aufdampf- und andere Produktionstechniken deuten darauf hin, dass dies möglich ist, aber sie sind noch nicht so weit, um Graphen auf jeden Bildschirm eines mobilen Geräts zu bringen. Die Forscher müssen auch weiterhin daran arbeiten, die Transparenz und Leitfähigkeit von Graphen in seiner kommerziellen Form zu verbessern.

Graphen ist zwar vielversprechend für Transistoren, hat aber ein großes Problem: Es kann den Stromfluss nicht wie Materialien wie Silizium „ausschalten“, was bedeutet, dass der Strom ständig fließt. Das bedeutet, dass Graphen allein nicht als Transistor dienen kann. Die Forscher erforschen nun Möglichkeiten, es anzupassen und mit anderen Materialien zu kombinieren, um diese Einschränkung zu überwinden. Eine Technik besteht darin, eine Schicht aus Bornitrid – ein weiteres ein Atom dickes Material – zwischen zwei Graphenschichten zu legen. Der daraus resultierende Transistor kann ein- und ausgeschaltet werden, aber die Geschwindigkeit der Elektronen ist etwas verlangsamt. Bei einer anderen Technik werden Verunreinigungen in Graphen eingebracht.

Graphen kommt für viele seiner möglichen Anwendungen möglicherweise zu spät. Elektroauto-Batterien und Kohlenstofffasern könnten mit Graphen hergestellt werden, aber sie basieren bereits auf Aktivkohle bzw. Graphit – zwei sehr preiswerten Materialien. Graphen wird vorerst teurer bleiben und vielleicht nie preiswert genug sein, um die Hersteller zum Umstieg zu bewegen.

Die Welt erforscht erst seit einem Jahrzehnt, was sie mit Graphen machen kann. Im Gegensatz dazu gibt es Silizium schon seit fast 200 Jahren. Bei dem Tempo, in dem die Forschung voranschreitet, könnten wir schon bald wissen, ob Graphen allgegenwärtig sein wird oder nur ein weiterer Schritt auf dem Weg zum nächsten Wundermaterial.