Das Material der Zukunft : Graphen, ein Wunderstoff mit Tücken

Durchsichtig, biegsam, leitfähig, reißfest: Das Maschendrahtmolekül Graphen gilt als Material der Zukunft. Die EU fördert jetzt ein Großprojekt zu dem "Wunderstoff". Doch noch ist unklar, ob er im Großen hält, was er theoretisch verspricht.

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Waben-Gewebe. Graphen besteht aus sechseckigen Kohlenstoff-Untereinheiten, in diesem Beispiel zur Nanoröhre geformt.
Waben-Gewebe. Graphen besteht aus sechseckigen Kohlenstoff-Untereinheiten, in diesem Beispiel zur Nanoröhre geformt.Foto: picture alliance / Science Photo

Es ist eines der großen Forschungsvorhaben in Europa. „Graphene-CA“ hat zum Ziel, den Stoff Graphen in anwendungsreife Produkte umzusetzen. Bis zu einer Milliarde Euro Fördergeld will die Europäische Kommission dafür bereitstellen. Eine durchaus mutige Entscheidung, denn noch ist nicht klar, ob sich die theoretischen Möglichkeiten des „Wunderstoffs“ großtechnisch realisieren lassen. Das Geld fließt im Rahmen der „Future and Emerging Technologies Flagship Initiative“.

Forschergruppen und Unternehmen in mehreren europäischen Ländern beteiligen sich an dem Vorhaben. Koordiniert wird es von dem Physiker Jari Kinaret, der an der Chalmers-Universität Göteborg arbeitet. Graphen hat viele Eigenschaften, die aufhorchen lassen. Es leitet elektrischen Strom weit besser als herkömmliche Halbleiter. Es ist durchsichtig und eignet sich daher für Bildschirme und Solarzellen. Und es hat eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Obendrein ist der Wunderstoff enorm fest und weckt damit Hoffnungen auf stabile Verbundwerkstoffe in Autos und Flugzeugen.

Graphen ist eine besondere Form von Kohlenstoff. Sein Aufbau ähnelt einem Maschendrahtzaun. Die Kohlenstoffatome liegen in einer Ebene und sind untereinander verbunden, wobei sie ein Netz aus sechseckigen Waben bilden, eine Art Folie aus nur einer Atomlage. Das Material ist biegsam und zugleich reißfester als Stahl. Elektrische Ladungen bewegen sich in Graphen theoretisch 100-mal schneller als in Silizium, dem Grundmaterial integrierter Schaltungen in heutigen Computern. Vor allem diese Eigenschaft macht das Graphen zum Gegenstand kühner Visionen.

Die wichtigsten Bauelemente des Computers sind Transistoren. Sie schalten und verstärken die elektrischen Signale in der Maschine. Meist bestehen sie aus einem Stück Halbleiter mit drei elektrischen Anschlüssen. Zwischen zweien davon fließt ein Strom. Wie stark er ist, hängt von der elektrischen Spannung am dritten Anschluss ab. Indem man sie verändert, kann man den Transistor schwach oder stark leitend machen, also zwischen „Null“ und „Eins“ umschalten.

Die Rechenleistung eines Computers hängt davon ab, wie schnell sich die elektrischen Ladungen durch seine Transistoren bewegen. Um dieses Tempo zu erhöhen, macht man die Transistoren immer kleiner, so dass die Ladungen kürzere Strecken zurückzulegen haben. Mittlerweile ist es aber kaum noch möglich, die Bauelemente weiter zu schrumpfen. Die Grenze ist anscheinend bald erreicht. Hier kommt das Graphen ins Spiel. Weil es elektrische Signale viel schneller leitet als Silizium, lassen sich aus ihm schnellere Schaltelemente konstruieren.

Allerdings lässt sich das extrem dünne Graphen nur schwer handhaben. Und um es überhaupt in industrielle Prozesse einzubinden, muss man es in großen Mengen fertigen. „Es gibt viele Methoden, um Graphen herzustellen“, sagt Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. „Man kann es aus der Kohlenstoff-Form Graphit gewinnen, indem man Schicht um Schicht davon abpellt; jedoch sind Ergebnisse nicht besonders gut reproduzierbar.“

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