Physik: Der Entdecker Andre Geim aus Holland bekommt den hoch dotierten Körberpreis

Dieser Stoff ist härter als Diamant und nur ein Atom "dick". Er eignet sich für Computer wie Lebensmittel.

Es ist wie zu Zeiten des Goldrausches am Klondike River in Alaska. Aber diesesmal geht es nicht um Gold, sondern um Graphen und einen Rausch, der Wissenschaftler erfasst hat. "Die Erforschung dieses zweidimensionalen Kohlenstoff-Kristalls ist wie ein großes Abenteuer", sagte Prof. Andre Geim, Körberpreisträger 2009 auf dem 50. Hamburger Wissenschaftsforum von Hamburger Abendblatt und NDR 90,3 kürzlich im Körber-Forum.

2004 stellte der niederländische Physiker, der an der Universität Manchester forscht, das erste zweidimensionale Material her. Jetzt erhält er dafür den mit 750 000 Euro dotierten Körberpreis für die Europäische Wissenschaft.

Graphen ist eine völlig neue Stoffklasse (weder Metall noch Halbleiter). Egal was die Forscher mit dem Kristall anstellen - sie werden überrascht.

Graphen ist härter als Diamant, eine Million Mal dünner als ein Blatt Papier, leitet Wärme und Strom extrem gut, ist reißfest, gasundurchlässig und äußerst stabil. Graphen besteht aus nur einer Lage einzelner, dicht gepackter Kohlenstoff-Atome, die als "Atom-Gaze" zu einer stabilen Schicht verwoben sind. Die Kohlenstoffatome sind in einer wabenförmigen Struktur angeordnet. Die Faszination über den Stoff, den noch niemand in Händen halten kann, wächst.

Sie hatte auch Podiumsgast Prof. Karl Schulte, Leiter des Instituts für Kunststoff und Verbundwerkstoffe an der Technischen Uni Hamburg-Harburg (TUHH), angesteckt. Begeistert erzählte der Wissenschaftler, der auch an Nano-Kohlenstoffverbindungen forscht, folgendes Beispiel: "Wenn Sie einen Stahldraht von einem Hubschrauber hochziehen lassen würden, würde der Draht in 28 Kilometer Höhe unter seinem Eigengewicht reißen. Ein Draht aus Graphen würde erst in einer Höhe von weit mehr als 1000 Kilometern zusammenbrechen. Daran können Sie sehen, wie einzigartig dieser Stoff ist." Es sei eine geniale Tat von Geim gewesen, diesen zweidimensionalen Kristall aus den zahlreichen Lagen des Graphits herausgelöst zu haben. Jeder habe dieses Material schon mal gesehen. Zeichnet man mit einem Bleistift einen Strich auf Papier, entsteht eine dunkle Spur. "Wenn Sie diese Graphitstäube unter dem Mikroskop anschauen, werden Sie immer kleinere Graphitelemente entdecken, und jedes dieser kleinen Elemente enthält Graphen", so Karl Schulte.

Um sie aufzuspüren, sei eine "glückliche Hand, ein gewisses Fingerspitzengefühl und eine richtige Ahnung" notwendig gewesen, erzählte Andre Geim. Der Vater einer acht Jahre alten Tochter sieht sich eher als Entdecker denn als Erforscher. Es sei wichtig, die richtigen Fragen zu stellen und immer wieder nachzuhaken. "Graphen ist das Ergebnis systematischer Arbeit, ich habe nie mehr gearbeitet als jetzt, dabei galt ich schon immer als Workaholic."

Nicht nur das Material, auch die mit Graphen entwickelbaren Technologien sind bahnbrechend. Schon früh weckte der Zauberstoff die Aufmerksamkeit aller Ingenieure in der Mikroelektronik. Dort ist alles klein, sehr klein. Und superkleine Bauteile, Transistoren, stecken in Computern, Flachbildschirmen, Robotern oder Handys. Doch die Physiker wollen mehr, sie wollen in noch kleinere Dimensionen vorstoßen und die Leistungsfähigkeit erhöhen. Dazu brauchen sie auch neue Materialien. "Die Herstellung von Chips basiert noch auf Silizium", so Prof. Olaf Zukunft vom Department Informatik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW). Bis 2020 werden sich damit weitere, leistungsfähigere Bauteile entwickeln lassen. "Für die Zeit danach benötigen wir ein neues Material, um auf immer kleinerem Raum immer mehr Information speichern zu können."

Der neue Star auf der Materialbühne heißt Graphen. Britische Forscher um Geim präsentierten bereits einen Transistor aus der Kohlenstoff-Variante. Nur ein Zehntel Nanometer dick, schaltete er mit nur einem Elektron und bei Raumtemperatur. Dabei ist er viermal kleiner als die kleinsten Silizium-Transistoren. Er könnte das noch allgegenwärtige Silizium verdrängen. "Die Eigenschaften sind vielversprechend, Graphen kann 100-mal schneller als Silizium geschaltet werden", erläuterte Zukunft und fügte hinzu, dass dieses Material in industriellem Maßstab und zu geringen Kosten produziert werden müsse, um konkurrenzfähig zu werden. "Das ist die technische Herausforderung."

Bei dem Einsatz von Graphen in Computern sei er skeptisch, wandte Geim ein. Auf kürzere Sicht sei das Material vor allem als Verbundstoff interessant, zum Beispiel auch für Lebensmittel. "Noch ist es so, dass Kartoffelchips in den Tüten, die lange im Regal stehen, pappig werden und nicht mehr schmecken. Stellen Sie sich vor, Graphen würde Folien gasdicht machen, sodass die Haltbarkeit von Lebensmitteln erhöht würde oder die von Bier in Dosen."

Die Herstellung von den dafür erforderlichen Mengen sei kein Problem mehr. "Vor vier Jahren haben wir die Technik entwickelt, seit dem vergangenen Jahr können wir das Material in Flockenform herstellen. Und während der vergangenen zwei, drei Monate ist es auch schon gelungen, elektronische Bausteine ("Wafer") aus Graphen herzustellen, die in der Industrie eingesetzt werden könnten. Die wesentlichen Herstellungsprozesse sind also gelöst", betonte Geim. Und auch die Entsorgung sei ganz einfach: Man erhitze das Material auf über 300 Grad Celsius, und es bleibe nichts übrig als etwas Kohlendioxid.

Das Forum im Radio: 29.11., 19.05-20 Uhr, NDR 90,3, "Abendjournal Spezial"