Hauchdünn, federleicht und stärker als Stahl

Als die EU Ende Januar die Gewinner der Flagship-Initiative bekannt gab, war das Human Brain Project im Zentrum des Interesses. Das zweite Projekt ging fast unter. Dabei widmet es sich dem Stoff Graphen, dem man wahre Wundereigenschaften nachsagt. Auch dort sind Schweizer Forscher dabei.

Das Modell zeigt die ideale kristalline Struktur von Graphen als sechseckiges Gitternetz.

Bildlegende: Graphen als Modell: Die ideale kristalline Struktur von Graphen ist ein sechseckiges Gitternetz. AlexanderAlUS / Wikipedia

Die erstaunliche Geschichte des Graphens beginnt mit ordinären Klebstreifen und unorthodoxer Neugier. Wenn Physiker mit Spezialmikroskopen arbeiten, die einzelne Moleküle abbilden können, dann legen sie als Grössen-Massstab für ihre eigentlichen Proben ein Stück Graphit daneben – das ist reiner Kohlenstoff, wie in einer Bleistiftmine. Und um die Oberfläche des Graphits zu reinigen, wird vor jedem Experiment ein Klebstreifen auf die Oberfläche geheftet und wieder abgezogen.

Auch Thilo Glatzel von der Universität Basel hat dies viele Male so getan. Der Klebstreifen landete jeweils unbeachtet im Mülleimer, erzählt er. Bis der britisch-russische Physiker Andre Geim in seinem Labor in Manchester irgendwann im Jahr 2003 auf die Idee kam, er könnte die Graphit-Schüppchen untersuchen, die auf den Klebstreifen zurückblieben. Unter Geims Leitung begann der Doktorand Da Jiang zu studieren, was alle anderen Physiker bloss als Abfall betrachteten. Bald entdeckten Da, Geim und ihr Kollege Konstantin Novoselov Erstaunliches. Manche der Graphit-Schüppchen waren nur eine einzige Atomschicht dick, ihre Kohlenstoffatome streng geordnet, in einer Struktur wie Bienenwaben: Das war Graphen.

Nobelpreis für Erkundung des Graphens

Andre Geim nach der Verleihung des Nobelpreises für Physik im Dezember 2010 in Stockholm.

Bildlegende: Höchstpreis: Für seine Erforschung des Graphen wurde Andre Geim im Dezember 2010 in Stockholm der Nobelpreis für Physik verliehen. Keystone

Nur sieben Jahre später nahmen Geim und Novoselov in Stockholm vom schwedischen König Carl Gustav den Nobelpreis für Physik in Empfang. Die Laudation schwärmte von den fantastischen Eigenschaften des Graphens. In der Tat: Das Material vereint eine erstaunliche Kombination von Merkmalen. Es leitet hervorragend Strom und Wärme, ist durchsichtig, federleicht und trotzdem hundert Mal stärker als Stahl. Eine hypothetische kleine Hängematte aus Graphen würde ein Baby sicher tragen, wäre aber nur etwa so schwer wie ein Haar vom Kopf des Säuglings.

«Das Material ist extrem spannend in vielen Fachbereichen», sagt Thilo Glatzel, «von der Physik über die Materialwissenschaften bis hin zur Chemie und möglicherweise der Biologie, als Sensormaterial beispielsweise». Andere Physiker preisen Graphen gar als Wunderstoff, der die Computertechnik revolutionieren wird, den Flugzeugleichtbau und vieles mehr.

Viel Geld auf eine Karte gesetzt

Diese Träume beflügeln auch die EU: sie will über zehn Jahre 500 Millionen Euro in das Graphen-Konsortium stecken, das von einer schwedischen Universität geleitet wird. Beteiligt sind über 100 Forschergruppen in 17 Ländern – darunter ein Dutzend Schweizer Teams, eines davon ist jenes von Thilo Glatzel. Weitere 500 Millionen Euro sollen die beteiligten Staaten zuschiessen.

Die Forschungsoffensive soll dafür sorgen, dass die europäische Wirtschaft ernten kann, was im europäischen Labor von Andre Geim in Manchester begonnen hat. Aber es gibt harte Konkurrenz: Japan, Singapur und Korea setzen mit 600 Millionen Dollar auf die gleiche Karte. Dabei ist unklar, in welchem Mass sich der vermeintliche Wunderstoff in der Praxis durchsetzen wird.

Hoffnung auf marktfähige Anwendungen

Ein Beispiel: Folien aus Graphen sollen rollbare Touchscreens ermöglichen. Aber es gibt dabei ein Problem: «Man kann kleine Graphenstückchen herstellen - im Grössenbereich von einigen Millionstel Metern, und diese haben sehr gute Eigenschaften», sagt Thilo Glatzel, «aber grössere Stücke verlieren einen Teil der Eigenschaften.» Der Grund: die grösseren Graphenstücke weisen Risse und Löcher in ihrer Atomstruktur auf. Zwar ist es denkbar, viele kleine Graphenstückchen zu einer grossen Bildschirmfolie zusammenzukleben, aber trotzdem untersuchen Glatzel und andere Physiker, wie sich grössere Folien herstellen lassen – das ist ein Grundpfeiler der Forschung im Graphen-Konsortium.

Wenn die Forschung erst weiter sei, werde Graphen den Grundstoff aller Computer, das Silizium, ersetzen, so wird oft prophezeit. Aber Thilo Glatzel ist skeptisch: «Ich bin überzeugt, dass man viele tolle Anwendungen finden kann, aber man sollte nicht davon ausgehen, dass man das, was man jetzt schon hat, einfach durch Graphen ersetzt.» Denn es ist enorm teuer, bewährte Fertigungsverfahren umzustellen - viel wahrscheinlicher ist daher, dass Graphen sich in begrenzten Bereichen durchsetzt, die speziell von seinen Eigenschaften profitieren. Zum Beispiel bei neuartigen Stromspeichern, hochflexiblen Solarzellen oder ultraschnellen Transistoren.

Forschen unter den Augen der Öffentlichkeit

Man könnte meinen, dass die Forscher begeistert sind von der milliardenschweren Geldspritze, die sie nun aus Brüssel für diese Forschung erhalten, aber Thilo Glatzel relativiert: Wenn man ausrechne, wie viel die am Konsortium beteiligten Gruppen im Schnitt an normalen Forschungsmitteln von der EU bekämen, so mache dies gar keinen grossen Unterschied. Und doch stehe man als Flagship-Projekt nun besonders im Fokus der Öffentlichkeit, klagen manche Physiker; das bedeute viel Druck.

Mit Graphit und Klebeband wurde die Kohlenstoffstruktur entdeckt, die bereits für Graphentransistoren genutzt wurde.

Bildlegende: Zubehör für die Entdeckung des Graphens: Mit Graphit und Klebeband wurde die Kohlenstoffstruktur entdeckt, die bereits für Graphentransistoren genutzt wurde. Gabriel Hildebrand / Nobelmuseum / Wikipedia

Thilo Glatzel nimmt es sportlich: «Das ist sicher ein Aspekt. Aber ich meine, Forscher brauchen ab und zu ein bisschen öffentlichen Druck, um sich nicht sozusagen in ihrer Forschung zu verlieren.»

Wenn einem Thilo Glatzel über Graphen erzählt, merkt man schnell, dass auch er von den physikalischen Eigenheiten des Materials fast mehr fasziniert ist als von den praktischen Anwendungen, die es verspricht. Da könnte man durchaus meinen, etwas Druck sei nützlich. Aber erinnern wir uns an den Beginn der Geschichte: es ist die Offenheit gewesen, einem vermeintlichen Nebengleis zu folgen, die die Entdeckung des Graphens überhaupt erst ermöglicht hat.