06.10.10

Physik-Nobelpreis

Graphen: Ein wunderbarer Werkstoff

Ihre Erkenntnisse über Graphen, das dünnste Material der Welt, bescheren zwei russischen Forschern den Nobelpreis.

Von Marc Hasse
Foto: TU Delft
Graphen besteht aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome - hier aufgerollt als sogenannte Kohlenstoffnanoröhre -, die extrem stabil verbunden sind.
Graphen besteht aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome - hier aufgerollt als sogenannte Kohlenstoffnanoröhre -, die extrem stabil verbunden sind.

Hamburg. Es ist vielleicht die ultimative Membran, manche sprechen gar von einem "Wundermaterial": Graphen (gesprochen: Grafehn), eine Variante des Kohlenstoffs, für deren Erforschung die Wissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov von der britischen Universität Manchester gestern mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet worden sind.

Ein Wundermaterial? Jede gewöhnliche Bleistiftmine aus Grafit, einer Form des Kohlenstoffs, enthält Graphen in Form von Milliarden übereinander gestapelter Lagen. Zum Schreiben geeignet, verblüffend jedoch höchstens durch mangelhafte Stabilität: Ein leichter Druck mit dem Fingernagel genügt, um die Stange zu zerbrechen.

Mit Graphen wurde erstmals ein zweidimensionales Material isoliert

Seine außergewöhnlichen Eigenschaften entfaltet Graphen erst als Solist auf einer Fläche von millionstel Millimetern - als dünnstes Material der Welt: Eine Lage ist 100-mal zugfester als Stahl, und sie elektrischen Strom und Wärme besser als jedes andere Material, das wir kennen. Deshalb könnte Graphen die Welt der Technik revolutionieren und ganz neue Anwendungen möglich machen, etwa superschnelle Computerchips im Nanoformat, aufrollbare Touchscreens oder intelligente Fensterscheiben, die die Sonneneinstrahlung regulieren.

Einige Experten haben folglich auch mit der Ehrung gerechnet: "Die Auszeichnung ist hoch verdient. Geims und Novoselovs Erkenntnisse sind aufregend und bahnbrechend", sagte etwa Roland Wiesendanger, Nano-Forscher und Leiter des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Hamburg.

Graphen besteht aus nur einer Lage Kohlenstoffatomen, es ist also zweidimensional. Während alles, was wir sonst kennen, die Dimensionen Länge, Breite und Höhe umfasst, besitzt Graphen tatsächlich nur eine Ausdehnung in Breite und Länge. Dabei bilden die Kohlenstoffatome ein extrem festes, wabenförmiges Gitter, das sich sowohl ausgebreitet wie eine Miniaturbahn nutzen lässt als auch aufgerollt in sogenannten Kohlenstoffnanoröhren. Viele Physiker hielten es lange nicht für möglich, ein solches zweidimensionales Material zu isolieren. Doch eben dies gelang Andre Geim und Konstantin Novoselov 2004 - durch eine verblüffend simple Methode: Mit Klebeband lösten sie extrem dünne Schichten von einem Grafitblock ab und wiederholten dies so oft, bis nur noch eine Atomschicht übrig blieb. Mittlerweile ist die Forschung soweit fortgeschritten, dass Wissenschaftler Graphen mühelos züchten können.

Zwar gibt es noch keine marktreifen Produkte, die dem - nun wohl noch einmal gesteigerten Hype - um Graphen gerecht werden, doch immer wieder dringen Nachrichten aus den Forschungslaboren, die das Potenzial des Materials verdeutlichen: So will etwa der Computerriese IBM bereits einen Transistor aus Graphen gebaut haben, der sich 100 Milliarden Mal pro Sekunde an- und ausschalten kann. Mit dieser Schaltfrequenz von 100 Gigahertz ist der Transistor den besten Modellen aus Silizium um mindestens das Zehnfache überlegen; langfristig könnte Graphen deshalb Silizium als Basismaterial in der Elektrotechnik ablösen.

Die Preisträger selbst wollten gestern keine allzu großen Versprechungen machen: "Wir wissen noch nicht, wofür man Graphen wirklich anwenden kann", sagte Andre Geim, aber: "Ich hoffe, dass es unser Leben genauso verändern kann wie Plastik." Geim saß zu Hause am Schreibtisch und las gerade seine E-Mails, als die Nobel-Juroren anriefen. "Ich dachte nur: Oh Shit, wie aufregend", sagte er. Dann allerdings sei ihm klar geworden, "dass ich nun all die anderen schönen Preise nicht mehr bekommen werde". Dass der Forscher die Ehrung mit Humor kommentierte, hat einen Grund: Es ist nicht sein erster Nobelpreis. Bereits im Jahr 2000 erhielt der heute 51-Jährige den Ig-Nobelpreis der Harvard-Universität für skurrile wissenschaftliche Arbeiten. Geim hatte damals einen lebenden Frosch mit Hilfe des sogenannten Diamagnetismus frei schweben lassen. Theoretisch, so zeigte er mit dem Experiment, wäre es möglich, auch den Menschen in der Luft zu halten, wenn das Magnetfeld stark genug wäre.

In Physikerkreisen gilt Geim nicht nur als witzig, sondern auch als außerordentlich fleißig. Das soll sich auch nach dem Anruf aus Stockholm nicht ändern. "Ich werde heute zur Arbeit gehen und ein paar Aufsätze fertig machen", sagte der Physiker, nachdem er von seiner Nominierung erfahren hatte.

Hamburger Körber-Stiftung zeichnete Andre Geim 2009 mit Förderpreis aus

Geboren 1958 in der Sowjetunion studierte er zunächst in Moskau Physik und promovierte im nahegelegenen Tschernogolowka. Nach mehreren Auslandsaufenthalten in Großbritannien, den Niederlanden und Dänemark unterrichtet er derzeit in Manchester (ebenso wie sein ausgezeichneter Kollege Konstantin Novoselov, 36, auch er gebürtiger Russe) und als Gastprofessor an der niederländischen Universität von Nimwegen. "Einige der Nobelpreis-Empfänger haben ja danach aufgehört zu arbeiten. Andere denken, sie haben ihn nur zufällig bekommen. Ich gehöre in keine der Kategorien", sagte Geim. "Ich werde einfach weitermachen. Und ich bin sehr stolz auf den Nobelpreis."

Ganz besonders stolz auf Andre Geim ist man in Hamburg. Die Körber-Stiftung hatte dem Physiker erst 2009 den mit 750 000 Euro dotierten Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft verliehen, einen der bedeutendsten Forschungspreise Europas. "Wir sind überrascht und begeistert", sagte Vorstandsmitglied Lothar Dittmer. Die Ehrung sei insofern erstaunlich, weil die Körber-Stiftung durch ihren Preis vor allem herausragende Ideen und Forschungsansätze fördern wolle.

Dabei hat die Stiftung zum zweiten Mal ein gutes Händchen bewiesen, denn mit dem Körber-Preisträger von 1986, dem AIDS-Forscher Luc Montagnier, hatte bereits 2008 ein von den Hamburgern geförderter Top-Forscher die Ehrung aus Stockholm erhalten. Und vielleicht bewahrheitet sich tatsächlich, was Hamburgs Erster Bürgermeister Christoph Ahlhaus prophezeite, als er den Körber-Preis bei der diesjährigen Verleihung als "Hamburger Nobelpreis" würdigte und an die Adresse des Preisträgers Jiri Friml sagte: "Wir werden wieder von Ihnen hören."

Deutsche Nobelpreis-Träger für Physik:



Physik-Nobelpreis an Kohlenstoff-Forscher

Deutsche Nobelpreis-Träger für Physik seit 1901
1901 Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) Begründung: "als Anerkennung des außerordentlichen Verdienstes, das er sich durch die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlen erworben hat"
1905 Philipp Eduard Anton von Lenard(1862–1947) Begründung: "für seine Arbeiten über die Kathodenstrahlen"
1909 Ferdinand Braun (1850-1918) Begründung: "als Anerkennung ihrer Verdienste um die Entwicklung der drahtlosen Telegraphie"
gemeinsam mit Guglielmo Marconi (1874-1937), Italien
1911 Wilhelm Wien (1864-1928) Begründung: "für seine Entdeckungen betreffend die Gesetze der Wärmestrahlung"
1914 Max von Laue (1879–1960) Begründung: "für seine Entdeckung der Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Kristalle"
1918 (verliehen 1919) Max Planck (1858–1947) Begründung: "als Anerkennung des Verdienstes, das er sich durch seine Quantentheorie um die Entwicklung der Physik erworben hat"
1919 Johannes Stark (1874-1957) Begründung: "für seine Entdeckung des Doppler-Effekts bei Kanalstrahlen und der Zerlegung der Spektrallinien im elektrischen Feld"
1921 (verliehen 1922) Albert Einstein (1879–1955) Begründung: "für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts"
1925 (verliehen 1926) James Franck (1882-1964)
Gustav Hertz (1887-1975)
Begründung: "für ihre Entdeckung der Gesetze, die bei dem Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Atom herrschen"
1932 (verliehen 1933) Werner Heisenberg (1901–1976) Begründung: "für die Begründung der Quantenmechanik, deren Anwendung zur Entdeckung der allotropen Formen des Wasserstoffs geführt haben"
1954 Walter Bothe (1891-1957) Begründung: "für seine Koinzidenzmethode und seine mit deren Hilfe gemachten Entdeckungen"

Max Born (1882–1970) Großbritannien, "für seine grundlegenden Forschungen in der Quantenmechanik, besonders für seine statistische Interpretation der Wellenfunktion"
1961 Rudolf Ludwig Mössbauer (geb. 1929) Begründung: "für seine Forschungen über die Resonanzabsorption der Gamma-Strahlung und seine damit verbundene Entdeckung, die den Namen 'Mössbauer-Effekt' trägt"

Robert Hofstadter (1915-1990), USA, "für seine bahnbrechenden Studien über elektrische Schwingungen im Atomkern und für die dabei erzielten Entdeckungen über die Struktur der Nukleonen"
1963 Johannes Hans Daniel Jensen (1907-1973) Begründung: "für ihre Entdeckung der nuklearen Schalenstruktur"
gemeinsam mit und Maria Mayer-Goeppert (1906-1972), USA,

Eugene Paul Wigner (1902-1995), USA "für seine Beiträge zur Theorie des Atomkerns und der Elementarteilchen, besonders durch die Entdeckung und Anwendung fundamentaler Symmetrie-Prinzipien"
1985 Klaus von Klitzing (geb. 1943) Begründung: "für die Entdeckung des sogenannten quantisierten Hall-Effekts"
1986 Ernst Ruska (1906-1988) Begründung: "für sein fundamentales Werk in der Elektronen-Optik und für die Konstruktion des ersten Elektronenmikroskops"

Gerd Karl Binnig (geb. 1947) Begründung: "für ihre Konstruktion des Rasterelektronenmikroskops"
gemeinsam mit Heinrich Rohrer (geb. 1933), Schweiz
1987 Johannes Georg Bednorz (geb. 1950) Begründung: "für ihre bahnbrechende Entdeckung von Supraleitung in keramischen Materialien"
gemeinsam mit Karl Alexander Müller (geb. 1927), Schweiz
1989 Wolfgang Paul (1913-1993) Begründung: "Für seine Entwicklung der Paul-Falle, eines elektrischen Vierpolfeldes zum Einschluß und zur Untersuchung weniger Ionen oder Elektronen über genügend lange Zeit"

Norman Foster Ramsey (geb. 1915), USA, "für seine Ausarbeitung einer verbesserten Meßtechnik bei atomaren Energie-Übergängen, mit der präzise Zeit- und Frequenzmessungen möglich wurden"
und
Hans Georg Dehmelt (geb. 1922), USA, "für die Entwicklung der Penning-Falle zum Einschluß von Ionen oder Elektronen, um deren Eigenschaften mit großer Genauigkeit zu erforschen"
1998 Horst Ludwig Störmer (geb. 1949) Begründung: "für ihre Entdeckung einer neuen Art von Quantenflüssigkeit mit fraktionell geladenen Anregungen"
gemeinsam mit Robert Laughlin (geb. 1950), USA und Daniel Chee Tsui (geb. 1939), USA
2000 Herbert Kroemer (geb. 1928) Begründung: "für die Entwicklung von Halbleiterheterostrukturen für Hochgeschwindigkeits- und Optoelektronik"
gemeinsam mit Zhores Iwanowitsch Alferov (geb. 1930), Weissrussland

Jack St. Clair Kilby (geb. 1923), USA, "Beitrag zur Entwicklung des Integrierten Schaltkreises(IC)"
2001 Wolfgang Ketterle (geb. 1957) Begründung: "für die Erzeugung der Bose-Einstein-Kondensation in verdünnten Gasen aus Alkaliatomen und für frühe grundsätzliche Studien über die Eigenschaften der Kondensate"
gemeinsam mit Eric Allin Cornell (geb. 1961), USA und Carl Erwin Wieman (geb. 1951), USA
2005 Theodor W. Hänsch (geb. 1941) Begründung: "für ihre Beiträge zur Entwicklung der auf Laser gegründeten Präzisionsspektroskopie, einschließlich der optischen Frequenzkammertechnik"
gemeinsam mit John L. Hall (geb. 1934), USA

Roy J. Glauber (geb. 1925), USA, "für seinen Beitrag zur quantenmechanischen Theorie der optischen Kohärenz"
2007 Peter Grünberg (* 1939) Begründung: "für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands (GMR)"
gemeinsam mit Albert Fert (* 1938) Frankreich
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