Wissenswert: Einer der härtesten Stoffe der Welt – Graphen

Nanotube Grafik von innen

Es gibt ein Material, das so stabil ist, dass die NASA damit einen Weltraumaufzug bauen möchte. Es ist 200-mal reißfester als Stahl. Das ist der höchste Wert, den Forscher je gemessen haben. Zugleich ist das Material nur eine Atomlänge dick. Das ist ungefähr eine Millionen Mal dünnerals ein Blatt Papier. Das Wundermaterial der Zukunft heißt Graphen.

2010 haben die Forscher Konstantin Novoselov und Andre Geim für die Entdeckung des Graphens den Nobelpreis für Physik bekommen. Graphen ist eine neu entdeckte Modifikation des Kohlenstoffs. Modifikation heißt, dass ein chemisches Element in unterschiedlichen Versionen existiert. Das bröckelige graue Graphit, das in Bleistiften steckt, ist eine solche Modifikation des Kohlenstoffs. Durchsichtige, sehr harte Diamanten sind eine andere Version von demselben Element. Graphen ist eine dritte Form des Kohlenstoffs. Dabei dürfte das Material eigentlich gar nicht existieren.

Graphenstruktur

Graphen ist eine einzige Schicht aus Kohlenstoff-Atomen. Foto: https://www.flickr.com/photos/core-materials/

Das Besondere an Graphen: Es ist ein zweidimensionales Molekül. Es besteht aus einer einzigen Schicht aus Atomen, die sich flach zu Sechsecken anordnen. Daraus entsteht ein bienenwabenartiges Muster. Forscher hatten bereits vermutet, dass es ein solches Molekül geben könnte. Jedoch haben mathematische Berechnungen ergeben, dass Graphen nicht existent sein kann, da es instabil ist und zerfallen müsste. Trotzdem ist Graphen auch in der Praxis vorhanden. Das liegt daran, dass die Bindungen zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen in dem Material besonders stark sind. Jedes Kohlenstoffatom kann jeweils vier Bindungen mit seinen Nachbarn eingehen. Beim Graphen wirken alle Bindungen in der gleichen Ebene. Diese wird dadurch sehr stabil. Die Forscherwelt war geradezu elektrisiert, als Graphen nachgewiesen wurde. Seit 2013 fördert die EU das Forschungsprogramm „European Flaship Graphene“. Mit Forschungsgeldern in der Höhe von einer Milliarde Euro ist es das größte Forschungsprojekt der EU. 

Material der Superlative

Nanotube

Nanotubes bestehen aus zusammengerolltem Graphen. Bild: https://www.flickr.com/photos/ajc1/

Die Aufregung in der Fachwelt war noch größer, als Novoselov und Geim immer mehr überraschende Eigenschaften des Graphens präsentieren konnten. Neben der hohen Zugfestigkeit, mit der Graphen alle anderen Materialen übertrifft, besitzt es eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit. Die einschichtige Folie ist so leicht, dass ein Quadratkilometer des Materials 757 Gramm wiegt. Und trotz seiner hohen Stabilität ist Graphen flexibel und formbar. Forscher haben die Folie zu kleinen Röhrchen zusammengerollt. Diese „Nanoröhrchen“ besitzen auch die gute elektrische Leitfähigkeit des Graphens und werden zum Beispiel für Kampfflugzeuge verwendet.

Forscher vom Trinity College in Dublin gehen davon aus, dass Graphen aufgrund seiner Eigenschaften in den nächsten zehn Jahren für viele verschiedene kommerzielle Anwendungen gebraucht wird. Die Computerindustrie möchte mit Graphen die Computerwelt revolutionieren, indem sie bessere und schnellere Chips herstellt. Außerdem ist Graphen fast transparent, daher eignet es sich für Displays und Touchscreens. Bereits in der Praxis sind sogenannte Verbundwerkstoffe. Das sind extrem stabile Materialen, die aus zwei Stoffarten bestehen und so ihre Eigenschaften wie Leitfähigkeit oder Härte miteinander vereinen.

Der Weltraumaufzug ist theoretisch längst möglich

Theoretisch ist ein Weltraumlift möglich. Foto: https://www.flickr.com/photos/flyingsinger/

Theoretisch ist ein Weltraumlift möglich. Foto: https://www.flickr.com/photos/flyingsinger/

Das ambitionierteste Projekt, bei dem Graphen eine Hauptrolle spielen soll, ist die Erbauung eines Weltraumaufzugs.  Die Vision ist schon über hundert Jahre alt. Inzwischen arbeiten Physiker und Ingenieure – unter anderem der NASA – auf Fachtagungen und in Technologiewettbewerben an dem Projekt, Hauptsponsor ist Microsoft. Die Idee: ein 36 000 Kilometer langes Seil, das von einem Satelliten auf die Erde hinunterhängen soll. Der Satellit ist das Gegengewicht, so sollen sich Flieh- und Anziehungskraft ausgleichen. Die Bodenstation soll auf einer Plattform mitten im Ozean entstehen und so mobil sein, dass der Aufzug einen Sturm auf der Erde oder Weltraumschrott im All umgehen kann.

Bisher war die größte Schwierigkeit für die Umsetzung das Seil: Stahl würde aufgrund seines Eigengewichts bei der Länge zerreißen. Mit Graphen wäre die Herstellung eines so langen Seils theoretisch möglich. Derzeit können Forscher Graphen jedoch noch nicht in so großen Mengen herstellen.

Herstellung mit Tesafilm und Küchenmixer – so einfach und so genial

Mit Tesafilm lassen sich kleine Schichten Graphit ablösen. Foto: Gabriel Hildebrand „Nobelpriset i fysik 2010“ von Gabriel Hildebrand - Nobelmuseet. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org

Mit Tesafilm lassen sich kleine Schichten Graphit ablösen. Foto: Gabriel Hildebrand https://commons.wikimedia.org

Eben diese Herstellung des Graphens ist nämlich außergewöhnlich und kurios. Die Nobelpreisträger Geim und Novoselov sind in einem selbst ernannten „Feierabend-Experiment“ auf die Idee gekommen, wie sich Graphen erzeugen lässt.

Sie haben einen Streifen Tesafilm auf ein glattes Stück Graphit geklebt und anschließend schnell abgezogen. Dadurch ist die oberste Schicht des Graphits im Klebstoff hängen geblieben. So haben Geim und Novoselov immer mehr und mit besserer Technik auch immer dünnere Schichten vom Graphit ablösen können. Irgendwann waren die am Tesafilm klebenden Schichten maximal dünn: nämlich nur noch ein einziges Atom dick. Die neue Modifikation des Kohlenstoffs war gefunden: Ein großes Molekül aus flachen Sechsecken. Universitäten verwenden diese Technik noch immer.

Die Forscher vom Trinity College in Dublin haben herausgefunden, wie sie Graphen einfach in größeren Mengen herstellen können: mit einem Küchenmixer. Normales Graphit zerbröselt in einzelne Schichten, sobald genügend Kraft auf das Material einwirkt. Die Kraft des Küchenmixers reicht dazu aus. Mit in den Mixer kommen Tenside. Das sind Stoffe, die ähnlich wie Spülmittel funktionieren. Sie halten sehr kleine Partikel in einer Flüssigkeit in der Schwebe, sodass die Stückchen nicht absinken. Diese Methode ist schneller und stellt Graphen in guter Qualität her. Für eine breite Verwendung oder gar einen Weltraumaufzug reichen die hergestellten Mengen auch mit dieser Methode nicht aus. Dazu müssen Forscher erst ein geeignetes großtechnisches Verfahren entwickeln. Das wird noch einige Zeit dauern. Aber wenn ein Stoff die Forscherwelt wieder überraschen kann, dann ist es das Graphen.

Beitragsbild: https://www.flickr.com/photos/ghutchis/

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