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Neues vom Wunderwerkstoff

Physik. - Graphene, das sind zweidimensionale Kristalle aus Kohlenstoff, die bemerkenswerte mechanische und elektrische Eigenschaften haben. Ihre Entdecker bekamen 2010 den Physiknobelpreis. Auf der US-Physikertagung in Boston stehen die atomdicken Folien im Fokus.

Von Ralf Krauter | 01.03.2012
    Obwohl Graphene seit acht Jahren intensiv erforscht werden, sind sie immer noch für Überraschungen gut. Selbst der Nobelpreisträger André Geim von der Universität Manchester, der die nur eine Atomlage dicken Kohlenstofffilme 2004 mit einem Kollegen entdeckte, hatte kürzlich wieder so ein Aha-Erlebnis.

    "Wir hatten aus Hunderten Lagen Graphen eine einfache Folie hergestellt. Und diese Membran entpuppte sich als so stabil und dicht, dass selbst winzige Helium-Moleküle nicht hindurch kamen. Genau das hatten wir erwartet, was die Sache fast schon ein bisschen langweilig machte. Aber eines Freitags abends kamen wir dann auf die Idee, zu testen, ob diese simple Graphen-Folie nicht nur für Helium dicht ist, sondern auch für Wasserdampf. Als ich dann sah, wie der Dampf durch die Folie hindurch kam, dachte ich: Das kann doch nicht wahr sein, da muss ein Riss in der Membran sein. Aber da war keiner - und wir brauchten Monate, um dieses Phänomen zu erklären."

    Weil Wassermoleküle viel größer sind als Helium-Moleküle, sollte eine Membran, die Helium die Passage verwehrt, eigentlich auch keinen Wasserdampf durch lassen. Dass die Wassermoleküle dennoch ihren Weg finden, liegt an winzigen Kanälen in der Membran. Ist die Folie trocken, sind diese Kapillaren verschlossen und die Folie dicht. Wassermoleküle jedoch werden regelrecht in die Kapillaren gesaugt und gelangen durch sie auf die andere Seite. Geim:

    "Der Effekt beruht auf einem trickreichen Zusammenspiel der Eigenschaften von Graphen und Wasser. Ich habe noch nie von einer derart wasserdurchlässigen Membran gehört."

    Mögliche Anwendungen der Super-Membran könnten effizientere Trennfolien für die Entsalzung von Meerwasser sein. Oder bessere Gore-Tex-Membranen für atmungsaktive Regenbekleidung.

    "It’s so unusual that it should be useful for something."

    Der Effekt ist so ungewöhnlich, sagt André Geim, dass er für irgendetwas gut sein muss. Bei einem zweiten Coup, der dem Nobelpreisträger eben gelang, hat er konkrete Anwendungen schon klarer im Visier. Im Februar präsentierte seine Gruppe den ersten vertikalen Transistor auf Graphenbasis. Die komplexe Sandwichstruktur könnte den Weg weisen, wie Graphen vielleicht doch noch die Mikroelektronik revolutionieren könnte. Bislang nämlich wurden alle diesbezüglichen Hoffnungen enttäuscht.

    "Man kann aus Graphen zwar extrem schnelle Transistoren bauen, aber es ist unmöglich, viele davon dicht zusammen zu packen. Sie verlieren Strom und erhitzen das Material. Ein integrierter Schaltkreis aus Graphen würde in Sekundenbruchteilen schmelzen. Dieses Problem ist seit Jahren bekannt und bis heute ungelöst."

    Die Forscher aus Manchester gingen deshalb in die dritte Dimension – und bauten vertikale Feldeffekt-Transistoren, in denen die Elektronen nicht in der Graphenschicht unterwegs sind, sondern senkrecht dazu. Dadurch lässt sich ihr Aktionsradius präzise steuern. Die Ergebnisse sind so viel versprechend, dass der atomare Stapeltrick bald Schule machen dürfte.

    "Nach dem Nobelpreis haben wir mehr publiziert und härter gearbeitet als je zuvor. Ich will einfach so viele Pflöcke wie möglich einschlagen. Und wer weiß: Vielleicht steckt in diesen graphenbasierten Sandwichstrukturen, an denen wir jetzt tüfteln, ja sogar der Schlüssel für Materialien, die bei Zimmertemperatur keinen elektrischen Widerstand haben. Das klingt verrückt, aber ich meine es ernst. Ich glaube, es gibt eine einprozentige Chance, dass wir neuartige Hochtemperatur-Supraleiter finden werden. Wir müssen die exotischen Phänomene auf dem Gebiet zweidimensionaler Kristalle weiter erforschen. Und ich habe nicht vor, mich bald zur Ruhe zu setzen."