Bei Graphen handelt es sich um einen zweidimensionalen Kristall aus Kohlenstoff-Atomen, welche sich in einer hexagonalen Schicht anordnen.
Dem russisch-niederländischem Physiker Andre Konstantin Geim und seinem britischen Team an der Universität in Manchester ist es im Jahr 2005 erstmals gelungen eine ultra-dünne Schicht aus Kohlenstoffatomen herzustellen, die nur aus einer einzigen Atomlage besteht. Dass dies überhaupt funktioniert, hätte die Forscher noch vor einigen Jahren überhaupt nicht vermutet. Denn alle bisher bekannten Materialien sind dreidimensional. Für die Entwicklung dieser stabilen Form von Kohlenstoff erhielt der Physiker den Körber-Preis 2009.
Formenvielfalt des Kohlenstoffs
Kohlenstoff ist ein wichtiges Element der Biosphäre und nach Sauerstoff eines der bedeutendsten Elemente auf der Erde. Alles lebende Gewebe ist aus organischen Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Kohlenstoffverbindungen bilden aber auch anorganische Materialien, wie Graphit und Diamant.
Die zweidimensionale Kohlenstoffschicht von Graphen ist eine Wabenstruktur: Immer sechs Kohlenstoffatome bilden eine sechseckigen Ring. Die Ringe ordnen sich in der Ebene zu einer Schicht aus hexagonalen Ringen an. Rollt man eine solche 1-Atom-dünne Schicht, erhält man eine Kohlenstoffnanoröhre. Durch stapeln mehrere 1-atomiger Kohlenstoffschichten entsteht das dreidimensionale Graphit. Fügt man der hexagonalen Schicht fünfeckige Kohlenstoff-Strukturen hinzu und ballt sie zusammen, bildet sich kugelförmiges Fulleren. Die Struktur der Fullerene ist vergleichbar mit dem eines Fußballs.
Außergewöhnliche Eigenschaften von Graphen
Laut Geim ist Graphen eines der stabilsten Materialien überhaupt. Es ist bislang kein anderes Material bekannt, das bei Raumtemperatur so leitfähig ist. Es leitet sowohl elektrischen Strom als auch Wärme extrem gut. Dabei lässt sich Graphen weder den Metallen noch den Halbleitern zuordnen. Durch das Anlegen einer Spannung verändern die einlagigen Graphitschichten ihre Lichtdurchlässigkeit – ganz ähnlich wie Flüssigkristalle in Flachdisplays. Mittels dieser Eigenschaft ließen sich zum Beispiel Fensterscheiben herstellen, die sich – je nach Sonneneinstrahlung – eigenständig abdunkeln.
Graphen ist auch härter als Diamant und außerordentlich reißfest. Eine weitere Eigenschaft von Graphen ist seine Undurchlässigkeit für Gase. Somit könnte dieses neue Material zukünftig bei der luftdichten Verpackung von zum Beispiel Lebensmitteln eine tragende Rolle übernehmen.
Graphen als Silizium-Ersatz
Die neu entdeckten Graphene besitzen ein riesiges Potential. Denn Graphen könnte das heute dominierende Silizium in der Halbleitertechnik ablösen. Silizium ist nur in begrenzten Mengen verfügbar und schwer zu beschaffen. Graphen hingegen ist ganz leicht herzustellen. Somit könnte Graphen das Zukunfts-Material werden und die Unterhaltungselektronik revolutionieren. Denn überall steckt heute Silizium drin: in Fernsehern, Computern, Handys…
Die ersten technischen Anwendungen des Graphen werden wahrscheinlich im Bereich der Mikro- und Nano-Elektronik liegen. Geim und seinen Kollegen war es bereits gelungen einen Transistor aus Graphen zu konstruieren. Dieser ist vier Mal kleiner als die bislang kleinsten Silizium-Transistoren. Und der Graphen-Transistor funktioniert bei Raumtemperatur, braucht also nicht gekühlt zu werden. Solche Mini-Transistoren sind zudem auch noch rund 100 Mal schneller als herkömmliche Transistoren. Dies bedeutet, dass beispielsweise Graphen-Chips eine enorme Steigerung der Rechenleistung bei Computern ermöglichen.
Im Jahr 2015 ist es Forscher gelungen mit Hilfe von Graphen eine Methode zu entwickeln, um mehr Energie in Kondensatoren zu speichern. Diese Technologie könnte zukünftig u.a. in Autos oder Windturbinen zum Einsatz kommen. Sie wären damit ein probater Ersatz für Akkus.
Quellen:
- Welt Online: Ein Material härter als Diamant, 17. April 2009
- 3sat: Ein Film aus Kohlenstoff, 01.03.2007
- Spektrum: Graphen macht behäbigen Traditionsakku ultraschnell, 26.06.2012