Das vielseitige Material aus Kohlenstoff lässt sich beispielsweise als Photodetektor, in Displays und zum Destillieren von Alkohol einsetzen.
Graphen ist eine Modifikation (Erscheinungsform) des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren umgeben ist, so dass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Das Supermaterial Graphen besteht aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen – ähnlich eines Maschendrahtzaunes in Miniaturgröße. Eine seiner herausragenden Besonderheiten ist die Fähigkeit elektrischen Strom besser als alle bisher bekannten Materialien zu leiten. Diese Eigenschaft macht Graphen zum Zukunftsmaterial für die Elektronik.
Graphen als Photodetektor
Als starker elektrischer Leiter ist auch der Einsatz als Photodetektor mögliche. Ein Photodektor ist ein Bauteil, welches Strahlung detektiert und in elektrische Signale umwandelt. Die optische Anregung von Graphen erzeugt in wenigen Pikosekunden einen Photostrom. Bisher war es allerdings nicht mögliche, das optische und elektrische Verhalten von Graphen zeitaufgelöst zu bestimmen. Dies ist nun Mitarbeitern am Walter Schottky Institut der TU München gelungen. Die Physiker entwickelten dazu eine Methode mit der sie Pikosekunden-Pulse detektieren können. Zur Vorstellung der Dimension dieser Geschwindigkeit: Ein Lichtstrahl mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Km/s legt in drei Pikosekunden eine Strecke von einem Millimeter zurück. Durch die neue Methode ist den Wissenschaftlern eine weitere Beobachtung gelungen: Graphen sendet nach optischer Anregung Strahlung im Teraherz (THz)-Bereich aus. Die Frequenz dieser Strahlung liegt zwischen dem Infrarotlicht und der Mikrowellenstrahlung. Teraherz-Strahlung vereint die Eigenschaften beider Strahlungsbereiche; es lässt sich bündeln wie Licht und durchdringt Materie ähnlich wie elektromagnetische Wellen. Durch diese Eigenschaften lässt sich Graphen zukünftig beispielsweise auch in der Materialprüfung, zum Durchleuchten von Paketen oder für medizinische Anwendungen nutzen.
Graphen in Displays
Graphen bildet sich, wenn man das Gas Ethylen bei einer Temperatur von 1.200 Grad Celsius an eine Metalloberfläche, beispielsweise einem Iridium-Kristall, aufbringt. Auf der Kristalloberfläche entsteht eine Schicht Kohlenstoffatome. Beim Abkühlen zieht sich der Kristall schneller zusammen als die Graphen-Schicht, sodass diese faltig wird. Beim erneuten Aufheizen werden die Falten wieder geglättet – ohne dass Risse oder Knicke in der Graphen-Schicht entstehen. Diese Beobachtung war bislang nur theoretisch und nicht experimentell belegbar. Forscher vom Center of Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen konnten den fehlenden Beweis erbringen. Sie koppelten dazu die Elektronenbeugung mit dem Moiré-Effekt. Letzterer entsteht, wenn sich zwei Muster überlagern. Nun steht aus wissenschaftlicher Sicht der nächste Schritt an: Die Antwort auf die Frage, wie sich die Graphen-Schicht leicht vom Iridium-Kristall ablösen lässt.
Graphen zur Destillation von Alkohol
Eher zufällig entdeckte Andrew Geim, einer der beiden Graphen-Nobelpreisträger für Physik (2010), dass sich Graphene auch eignen, um damit alkoholische Getränke zu destillieren. Während Graphen zahlreiche Gase und Flüssigkeiten am Durchtritt durch die Graphen-Schicht hindert, können gasförmige Wassermoleküle hindurchtreten.
Quellen:
- Der Standard: Ultraschnelle Photodetektoren und Teraherz-Strahler, 5.02.2012
- IDW: UDE-Nanoforscher: Falten in Graphen bilden sich zurück, 17.02.2012
- Pressetext: Neuer Einsatzzweck für Graphen entdeckt, 27.01.2012
- Welt.de: Physik Nobelpreis für das Wundermaterial Graphen, 05.10.2010