- Graphen hat Eigenschaften, die von keinem anderen Material bekannt sind
- Durchsichtige und flexible Computerbildschirme, die man einrollen und falten kann, die sich in Telefone verwandeln und sich diversifizieren – das wird dank Graphen möglich sein
- Luftfahrt, Medizin, Telekommunikation, Energieerzeugung… Graphen wird in all unseren Lebensbereichen präsent sein und sie verbessern
Chip aus Graphen.
Wissenschaftler und Industrielle aus aller Welt sind begeistert von dem neuen Material Graphen, das dank seiner außergewöhnlichen Eigenschaften und seiner vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zweifellos viele Aspekte unseres Alltags verändern wird.
Was macht Graphen so außergewöhnlich?
Es handelt sich um ein durchsichtiges, extrem dünnes, sehr leichtes (0,77 mg/m2), wasserundurchlässiges, elastisches, flexibles und gleichzeitig außerordentlich resistentes Material. Graphen ist ein perfekter Elektrizitätsleiter, der außerdem in der Natur in großen Mengen vorkommt und daher sehr ökonomisch ist.
Was ist Graphen?
Forscher der Universität Manchester haben herausgefunden, dass sich Graphen sozusagen selbst reparieren kann, d.h. wenn die Struktur einer Graphenplatte beschädigt wird, werden die zur Reparatur notwendigen Kohlenstoffatome aus der Umgebung angezogen und docken an den geschädigten Stellen an.
Chemische Zusammensetzung
Bei Graphen handelt es sich um eine Einzelschicht Kohlenstoffatome (d.h. eine Schicht hat die Dicke eines Atoms), die wabenförmig angeordnet sind. Man erhält es aus Graphit, das in der Natur vorkommt und aus dem beispielsweise Bleistifte und Autobremsen hergestellt werden; Graphen kann aber auch synthetisch hergestellt werden.
Chemisch gesehen ist Graphen ein Allotrop des Kohlenstoffs: ein flaches, wabenförmiges (also sechseckiges) Gebilde, das sich aus Kohlenstoffatomen zusammensetzt; diese sind sp2–hybridisiert, das heißt, jedes Kohlenstoffatom kann drei gleichwertige σ-Bindungen zu anderen C-Atomen ausbilden.
Interview mit K. Novoselov, einem der Entdecker des Graphens.
Graphen wurde 2004 von den beiden aus Russland stammenden Wissenschaftlern Andre Geim und Konstantin Novoselov entdeckt, aber erst 2010, als die beiden Forscher den Nobelpreis für Physik erhielten, begann das wahre Graphen-Fieber.
Anwendungsgebiete
Die außergewöhnliche Vielfältigkeit dieses Materialserlaubt zahlreiche kommerzielle Anwendungen. Im Grunde sind die Möglichkeiten unbegrenzt und die Liste hört nicht auf zu wachsen. Hier einige Beispiele:
Transistor auf der Grundlage vertikaler Heterostrukturen des Graphens (Universität Manchester).
- Hartplatten mit tausendfacher Speicherkapazität.
- Halbleiter, mit denen in der Zukunft superschnelle Computer arbeiten werden (als Ersatz für Silizium).
- Flexible Bildschirme (d.h. einrollbar und faltbar), die als Grundlage für diverse Vorrichtungen dienen und die zudem extrem dünn sind, so dass sie Systeme, wie beispielsweise Contactless payment, integrieren können.
- Nachtsichtkameras zum Fotografieren und Filmen ohne Licht.
- Batterien mit längerer Lebensdauer für Handys, Computer und Elektroautos (Batterien mit Elektroden aus Graphen halten zehnmal länger als solche, die wir heute zum Aufladen unserer Handys benutzen).
- Neue, superschnelle Telekommunikationsnetze.
- Ultrakondensatoren (für Elektroautos und -züge und zur Leistungsverbesserung der Stromleitungen).
- Anwendungen in der Luftfahrt: Flugzeuge, die wesentlich schneller und abgasarmer fliegen.
- Leistungsstarke Solarplatten mit 42%-iger Wirkungskraft (zurzeit verwandeln die Solarzellen nur 16% der aufgenommenen Energie in Elektrizität).
- OLED-Fernseher (Organic LED), hergestellt mit organischen Materialien und daher nachhaltiger.
Video über die Anwendungsbereiche von Graphen (Quelle: neoteo.com).
- Energieeffiziente Membranen zur Herstellung von Erdgas bei gleichzeitiger Senkung der kohlendioxydhaltigen Emissionen von Fabrikschornsteinen und Auspuffrohren.
- Kostenniedrige Gastrennung bei der Herstellungvon Kunststoffen und Brennstoffen.
- Anwendungen in der Medizin, z.B. neue Impfstoffe gegen Krebs und Sensoren, die in die Zähne eintätowiert werden, um Pathologien zu erkennen.
Neben all diesen Möglichkeiten kann Graphen eingesetzt werden als Basis für neue, „maßgeschneiderte‟ Materialien für spezifische Bedarfsfälle. Elsa Prada, Forscherin am Wissenschaftsinstitut für Materialien in Madrid des CSIC, die mit Novoselov zusammengearbeitet hat, forscht mit Fluorgraphen (zweidimensionales Graphen aus Teflon, das über Schmiereigenschaften verfügt und außerordentlich isolierend ist), hexagonalem Bornitrid (kristalliner und transparenter, ausgesprochen harter Isolierstoff, der mit Graphen kombiniert seine elektromechanischen Eigenschaften verbessert), Molybdändisulfid (zweidimensionales Kristall mit vielversprechenden Eigenschaften für den Bau neuer Transistortypen) und Silizen (Version aus Silizium mit etlichen Gemeinsamkeiten mit Graphen, das die aktuelle Bautechnik auf der Basis von Silizium verbessern könnte).
Graphen in Spanien und das Projekt Flagship der Europäischen Union
Spanien hat hochqualifizierte Forscher, die an der Entwicklung von Graphen arbeiten. Die spanische Abteilung des Projekts Flagship der EU ist derzeit eine der aktivsten. Die Firma Graphenea aus San Sebastián, größter Hersteller von Graphen in der EU, gehört zusammen mit Firmen wie Philips, Varta, Nokia, ST Microelectronics, Repsol, Alcatel-Lucent und Airbus zu denPartnern des Projekts. Gleichzeitig ist der Bau einer der weltweit größten Produktionsanlagen von Graphen in Yecla (Murcia, Spanien) geplant.
Video des Projekts Flagship der Europäischen Union
Nachteile, für die Lösungen gesucht werden
Die Prozesse zur Gewinnung von Graphen aus Graphit sind derzeit noch mit einigen Schwierigkeiten verbunden, wie z.B. die Gewinnung der für jeden Anwendungsfall notwendigen Reinheit. Aber die Lösung dieser Probleme ist eine reine Zeitfrage, denn kontinuierlich lassen sich Fortschritte verzeichnen und Beiträge in Zeitschriften wie Science oder Nature berichtenregelmäßig davon.
Quellen:
CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas).
MIT(Massachusetts Institute of Technology).
