Science
08/27/2013

Graphen ebnet Weg zu Designer-Materialien

Graphen ist ein Material, das aus einer nur ein Atom dicken Schicht aus Kohlenstoff besteht. Der Stoff weist viele interessante Eigenschaften auf. Noch beeindruckender könnte aber die Übertragung des Graphen-Prinzips auf andere Materialien sein, meint Nobelpreisträger Konstantin Novoselov zur futurezone.

In Graphen sind die Kohlenstoffatome wabenförmig angeordnet. So entstehen sogenannte 2D-Kristalle, die für die einzigartigen Eigenschaften des Materials verantwortlich sind. Die Struktur des zweidimensionalen Werkstoffs macht es für eine Vielzahl von Forschungsgebieten interessant.

"Die Erwartungen der Menschen sind durch die Medienberichterstattung hoch. Es kann aber immer noch passieren, dass die Graphen-Forschung scheitert. Ich bin mir aber sicher, dass der Stoff zumindest in einigen der vorgeschlagenen Bereichen eine wichtige Rolle spielen wird", sagt Konstantin Novoselov, der für seine Arbeit mit Graphen den Nobelpreis erhalten hat, im Gespräch mit der futurezone.

Der Grund für diesen Optimismus liegt in den einzigartigen Eigenschaften des Materials. "Graphen ist ein exzellenter Leiter, hat sehr interessante optische Eigenschaften und ist das widerstandsfähigste Material, das wir kennen", sagt Physik-Nobelpreisträger Konstantin Novoselov bei einem Vortrag bei den Alpbacher Technologiegesprächen über den vielversprechenden Stoff. Derzeit wird weltweit an Anwendungen für die dünnen Schichten aus Kohlenstoff geforscht.

Viele Möglichkeiten
"Graphen kann zu LCDs verarbeitet werden, die nur ein Atom dick sind. Im Bereich der Touch-Panels ist das Material jetzt schon im Einsatz und kostengünstiger als andere Materialien", so Novoselov gegenüber der futurezone. Um Graphen als Ersatz für Halbleiter in Microchips verwenden zu können, die dann viel leistungsfähiger sein könnten als heute, ist aber noch enige Arbeit notwendig. Auch ein Einsatz in der Medizin und Mikrobiologie ist laut Novoselov denkbar. "Als Stützstrukturen für Biomoleküle, etwa für künstliche Organe, oder als Transportmechanismus für Medikamente im Körper kann Graphen einen wichtige Rolle spielen", so der Physiker.

Auch in der Photovoltaik erwarten sich die Forscher große Effizienzzuwächse von den Kohlenstoff-Waben. Um all diese Vorhaben in die Tat umzusetzen, wären aber große Mengen an Graphen notwendig. Heute können zwar schon praktisch beliebig große Graphenlagen hergesgtellt werden, die Kristallgröße ist aber der entscheidende Faktor.

Teure Herstellung
"Die Massenproduktion von passendem Material ist der Schlüssel. Für verschiedene Anwendungen sind unterschiedliche Kristallgrößen erforderlich. Quadratmillimeter große Kristalle wurden schon erzeugt, es sollten aber auch andere Größen möglich sein", so Novoselov. Neue Herstellungsmethoden für Graphen sind deshalb bereits in Arbeit. Derzeit wird Graphen meist auf mechanischem Weg aus Graphit gewonnen. Dabei werden einzelne Lagen des Gesteins, das aus schwach gebundenen Lagen von Graphen besteht, abgelöst.

Die Struktur von Graphen, die 2D-Kristalle, lässt sich auch mit anderen Materialien nachahmen. "Auch andere Materialien lassen sich in 2D-Kristallen anordnen, die oft stabil sind und ganz andere Eigenschaften haben können, als in ihrer normalen Form. Das ist ein komplett neuer Forschungszweig", so Novoselov. Die entstehenden zweidimensionalen Strukturen können durch Schichtung zu gänzlich neuartigen Materialien zusammengesetzt werden.

Material auf Wunsch
"Wir können bereits erste Materialien nach Wunsch kreieren, wollen aber noch viele weitere erschaffen", sagt der Nobelpreisträger. Das funktioniert, indem Schichten verschiedener Materialien mit den jeweils gewünschten Eigenschaften zusammengesetzt werden, um einen Designer-Stoff anzufertigen. "Es gibt schon viele 2D-Kristall-Materialien. Wir können einzelnen Schichten die gewünschten Eigenschaften zuweisen und ein sehr komplexes Heteromaterial kreieren. Die Möglichkeiten sind theoretisch unbegrenzt", erklärt Novoselov.

Derzeit funktioniert die Herstellung von 2D-Kristallen aber lediglich mit Halbleitern. "Kristalle aus metallische Materialien scheinen weniger stabil zu sein. Das könnte sogar eine allgemeine Regel sein, wir prüfen das aber noch. Wir hoffen trotzdem, dass wir auch für Metalle eine Lösung finden. In diesen neuen Materialien gibt es auch neue physikalische Phänomene zu entdecken, genau wie es bei Graphen der Fall war", so der Forscher. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg.

"Schon bei Graphen ist es schwierig zu sagen, wann welche Anwendungen zu erwarten sind. Manche sind nur noch Monate, andere noch Jahrzehnte entfernt. Unser Wissen über 2D-Kristalle steht erst am Anfang. Das Versprechen ist, dass wir erstmals in der Geschichte Materialien, die verschiedene Eigenschaften in sich vereinen, maßschneidern können. Die möglichen Anwendungen sind derzeit noch nicht einmal vorherzusehen", so Novoselov.

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