Kaum ein anderer Werkstoff hat so viele Vorschusslorbeeren erhalten wie das vor sechs Jahren entdeckte Graphen. Dabei scheint diese Form des Kohlenstoffs auf den ersten Blick instabil, empfindlich und fragil. Die einzelnen Kohlenstoffatome darin sind in Form sich wiederholender Sechsecke angeordnet. Somit ist Graphen mit Grafit verwandt.

Auch dieser Stoff in den Bleistiftminen besteht aus riesigen Netzen verknüpfter Kohlenstoffsechsecke, die Flächen sind allerdings in der dritten Dimension leicht miteinander verbunden. Graphen bildet hingegen eine einzige Atomlage ähnlich Maschendraht. In dieser weichen Form des Grafits sind die Graphen-Ebenen milliardenfach lose übereinandergestapelt. Löst man aus Grafit eine solche Schicht heraus, erhält man Graphen.

Das ist gut leitfähig und könnte die Halbleiter-, Sensor- und Display-Technik revolutionieren. Auch in der Grundlagenforschung zur Quantenphysik lässt es neue Resultate erwarten. Bereits daraus hergestellt wurden ultraschnelle Graphen-Transistoren.

2004 hat die Forschergruppe um Andre Geim erstmals gezielt Graphen hergestellt. Der Professor für Physik an der Universität im britischen Manchester wird daher oft als Entdecker des Graphen betitelt. Das hört er nicht gern: „Sagen wir lieber, ich war der Erste, der entdeckt hat, was für ein verdammt gutes Material Graphen ist“, sagt der Physiker. „Alles um uns hat Länge, Breite und Dicke und ist dreidimensional“, erläutert Geim. „Graphen jedoch ist nur ein einziges Atom dick.“ Und gilt damit als das erste zweidimensionale Material.

„Man dachte immer, dass solche extrem dünnen Substanzen instabil sind“, sagt der Forscher. Aber er und seine Kollegen gaben ihre Suche nicht auf. Mit einer relativ einfachen Technik, der sogenannten Klebebandmethode, spalteten sie per Hand Grafit zu feinen und noch feineren Flocken. „Wir haben immer weitergemacht, bis wir irgendwann eine einzelne Schicht entdeckten: Graphen.“ Und zum Erstaunen der Forscher zersetzte es sich nicht, sondern war bei Raumtemperatur und an der Luft stabil. Andre Geim erhielt für seine Arbeiten 2009 den Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft.

Graphen ist hellgrau und leicht transparent. Obwohl es das dünnste bekannte Material ist, ist es härter als Diamant. Seine Kristalle sind die bislang dehnfähigsten: Sie lassen sich um bis zu ein Fünftel verlängern, ohne dass sie reißen. Und obwohl es so extrem dünn ist, hält Graphen selbst die kleinsten aller Gasteilchen zurück, das Helium. Außerdem leitet es Hitze doppelt so gut wie Kupfer und könnte sich damit auch zur besseren Kühlung von Computerchips eignen, berichtete Li Shi von der University of Texas in Austin.

Am faszinierendsten sind für Geim allerdings die elektronischen Eigenschaften dieser Kohlenstoffform. Darin bewegen sich die Elektronen schneller als in allen anderen bekannten Stoffen, beispielsweise 130 Mal schneller als in Silizium und 4000 Mal schneller als in den meisten Metallen.

In anderen Materialien werden die Elektronen bei ihrer Wanderung gebremst: Beispielsweise stören Atome, die im Kristallgitter „falsch einsortiert“ sind – also deplatziert an Stellen sitzen, wo sie laut Idealbauplan nicht hingehören. Beim gleichmäßig aufgebauten Graphen hingegen ist so gut wie alles an seinem Platz. Graphen leitet den elektrischen Strom daher hervorragend. Außerdem lassen sich an ihm Quantenphänomene studieren, die sonst nur in Teilchenbeschleunigern zu beobachten sind. „Graphen ist eine Spielwiese, auf der wir unser Verständnis verbessern können, wie die Welt funktioniert“, berichtet Geim.

Forscher versuchen jetzt, Graphen kostengünstig und in großen Mengen herzustellen. Sie können Grafit beispielsweise in einer Flüssigkeit lösen und im Ultraschallbad spalten. So lässt sich Graphen in großer Menge schnell herstellen, wenn auch nicht in sehr hoher Qualität. Es reicht aber für Verbundwerkstoffe: Dieses Graphen kann Kunststoffen zugemischt werden, damit diese härter oder elektrisch leitend werden.

Für elektronische Anwendungen braucht es allerdings eine besonders reine und aufwendiger herzustellende Qualität. Victor Aristov und seine Kollegen am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden etwa haben eine feste Mischung aus Silizium und Kohlenstoff in einem Vakuum stark erhitzt. Daraufhin ver?dampfte ein Teil des Siliziums, und die Kohlenstoffatome ordneten sich auf der Oberfläche zu Graphen an, wie Aristov im Journal „Nano Letters“ berichtete. „Unsere Methode ist mit der Siliziumtechnik kompatibel“, sagt Aristov. „Das ermöglicht die Massenproduktion von graphenbasierten Bauteilen.“

Aus einem solchen Silizium-Kohlenstoff-Wafer mit einer Graphenschicht hat die Gruppe um Yu-Ming Lin beim US-Computerkonzern IBM vor Kurzem bereits einen Transistor hergestellt, also einen elektronischen Schalter. Er erreichte eine Schaltgeschwindigkeit von 100 Gigahertz, berichteten die ?Wissenschaftler im Fachjournal „Science“. Das heißt, er konnte sich 100 Milliarden mal pro Sekunde ein- und ausschalten. Das ist zehnmal schneller, als es der schnellste Siliziumtransistor vermag.

Forscher planen deshalb, Silizium in der Computerchiptechnik durch Graphen zu ersetzen und so schnellere und kleinere Computer zu bauen. Graphen könnte das nächste Silizium sein, sagt Geim daher. Das sei aber noch Spekulation. Zugleich werden aber schon Hunderte mögliche Anwendungen diskutiert, darunter intelligente Fensterscheiben, die die Sonneneinstrahlung regulieren, ultradünne Touchscreens, rollbare Bildschirme aus Leuchtdioden (LED) und neue Beschichtungen für Solarzellen. Auch hyperempfindliche chemische Sensoren, die explosive oder giftige Gase aufspüren, sind im Gespräch. Denn sobald sich ein Molekül an die Graphen-Oberfläche bindet, ändert sich dessen elektrische Leitfähigkeit, das lässt sich messen. Bei ausreichend kleinen Sensoren lassen sich womöglich einzelne Moleküle finden.

„Die größte Herausforderung ist es“, sagt Geim, „die Anwendungen zu finden, für die sich Graphen am besten eignet. Ja, Graphen ist gut, aber die Frage lautet: Ist es gut genug? Kann es mit jetzigen Materialien konkurrieren?“ In fünf Jahren, vermutet er, werde es sicher einige konkrete Anwendungen geben. Einige Kollegen von Geim, etwa Konstantin Novoselov von der Uni Manchester, denken indes schon über die nächste Halbleitergeneration nach, die chemisch von Graphen abgeleitet ist. Etwas über das Graphan (siehe Illustration oben). In ihm sind an der Graphen-Ebene einzelne Wasserstoffatome angedockt. Das erschwert den Transport von Ladungsträgern und ändert damit die elektrischen Eigenschaften des Materials. Weil es sich im Produktionsprozess steuern lässt, wie viele Wasserstoffatome gebunden sind, sind auch die elektronischen Eigenschaften variabel. So könnte ein idealer Nachfolger für die Siliziumchiptechnologie aussehen.