Aus einer herkömmlichen Bleistiftmine haben die Kohlenstoff-Forscher André Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester den neuartigen Werkstoff gewonnen. Für die Entdeckung und Erforschung des Graphen erhalten Sie am 10. Dezember 2010 den Nobelpreis für Physik aus der Hand des schwedischen Königs. Graphen ist der erste bekannte zweidimensionale Stoff, denn er besteht aus nur einer Schicht Atomen und lässt sich aus diesem Grund nicht in bisher bekannte Stoffklassen einordnen. Seine Eigenschaften sind so herausragend, dass er nicht nur für die Forschung, sondern auch für die Herstellung ganz alltäglicher Produkte interessant ist.

Die besonderen Eigenschaften von Graphen:

  • Die Struktur von Graphen besteht aus bienenwaben-ähnlich vernetzten Kohlenstoffatomen in nur einer Ebene. Dennoch ist es ähnlich hart wie Diamant.
  • Trotzt seiner ultradünnen Struktur, es ist eine Million mal dünner als ein Blatt Papier, zersetzt es sich nicht an der Luft und ist bei Raumtemperatur stabil.
  • Graphen ist hellgrau, gut leitfähig und transparent. Es absorbiert nur 2,3 Prozent des einfallenden Lichts.
  • Es ist das dehnbarste aller Kristallstrukturen und kann um ein Fünftel verlängert werden, ohne dass es reißt. Es besitzt die höchste jemals ermittelte Zugfähigkeit.
  • Graphen ist für Gase undurchlässig, selbst für Helium, das kleinste aller Gasteilchen.
  • Es leitet elektrischen Strom wesentlich schneller als Silizium oder Metalle und ist gleichzeitig um ein vielfaches wärmeleitfähiger als Kupfer.

Die Anwendung von Graphen in der Forschung

  • Aufgrund seiner guten Leitfähigkeit könnte es die Halbleiter-, Sensor- und Display-Technik revolutionieren.
  • Es kann in der Quantenmechanik zur Erforschung von Phänomenen verwendet werden, die sonst nur an Teilchenbeschleunigern beobachtet werden können.
  • Im Forschungslabor des US-Computerkonzerns IBM ist bereits ein Transistor auf Basis eines graphenbeschichteten Silizium-Kohlenstoff-Wafers gebaut worden, der zehn mal schneller arbeitet, als der schnellste herkömmliche Transistor.
  • Die extreme Reißfestigkeit inspiriert Weltraumingenieure in einem Gedankenexperiment zu neuartigen Verbindungsbauten zwischen Erde und Satellitenumlaufbahnen. Basis dafür ist die Tatsache, dass ein Draht aus Graphen 1.000 Kilometer lang sein könnte, bevor er unter seinem Eigengewicht zerreißt. Bei Stahl ist dies schon bei 28 Kilometern Länge der Fall.
  • Die Anwendung für hyperempfindliche chemische Sensoren, die möglicherweise einzelne Moleküle aufspüren können, wird erforscht. Sie könnten zum Detektieren kleinster Mengen giftiger oder explosiver Gase eingesetzt werden.

Mögliche Anwendungen von Graphen im Alltag

  • Aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit ist Graphen gut zur Kühlung von Computerchips geeignet. Wird Silizium durch Graphen ersetzt, könnten um ein vielfaches schnellere und leistungsfähigere Computer gebaut werden.
  • Im Gespräch ist auch die Anwendung von Graphen im Displaybau. Es könnten ultradünne oder sogar rollbare Touchscreens ermöglicht werden.
  • Intelligente Fensterscheiben, die die Sonneneinstrahlung regulieren, zählen zu den möglichen Anwendungsgebieten.
  • Da Graphen für alle Gase undurchlässig ist, könnte es bald bei der Verpackung von Lebensmitteln eine Rolle spielen.
  • Graphen kann in Kunststoffen deren Härte oder elektrische Leitfähigkeit bestimmen.
"Die größte Herausforderung ist es, die Anwendungen zu finden, für die sich Graphen am besten eignet" so André Geim, einer der Entdecker über den neuartigen Werkstoff. Er hofft, dass Graphen genauso unser Leben verändern kann, wie Plastik. Inzwischen befinden sich hunderte Anwendungsmöglichkeiten für das Wunder-Material Graphen im Forschungsstadium.

Foto: aboutpixel.de / spitz gerechnet © Rainer Sturm

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Nobelpreise 2010