Graphen: Das Milliarden-Euro-Zaubermittel

Kohlenstoff: Aus ihm sind die Zukunftsträume © Kumbabali - Fotolia.com

Kohlenstoff: Aus ihm sind die Zukunftsträume © Kumbabali – Fotolia.com

„Wunderwerkstoff Graphen“, „Härter als Diamant und stärker als Stahl“, „Dieses Material bedeutet die Zukunft“, „Graphen: Apples neuer Hightech-Werkstoff?“ Ein paar Überschriften der letzten Zeit aus Technikmedien. Sie haben damit offensichtlich den Stein der Weisen gefunden, der alle Probleme löst.

Der Grund für die hohe Aufmerksamkeit ist die ungewöhnliche zweidimensionale Wabenstruktur. Dabei ist Graphen chemisch gar nicht so besonders. Es basiert auf Graphit, einem kristallinen Kohlenstoff, der sich auch in Bleistiftminen findet. Der besitzt wie jedes andere Kristall eine dreidimensionale Struktur.

Graphen dagegen ist nur eine Atomlage dick – also extrem dünn. Der Trick: Die ultradünne Schicht wird wie eine Folie von Graphit abgenommen. In der Anfangszeit der Erforschung wurde der Stoff tatsächlich mittels Klebeband von einem Graphitblock abgezogen, heute wird er meist durch eine chemische Reaktion auf einem Trägerstoff abgeschieden.

Beide Verfahren erzeugen ein flaches Etwas, das eine mit herkömmlichen Techniken nicht mehr messbare Dicke besitzt. Es ist in einem praktischen Sinne zweidimensional, was nicht nur Laien überrascht. Denn das Verblüffende an einer 2D-Struktur wie Graphen ist seine Existenz.

Zweidimensionale Strukturen

Bis vor gut zehn Jahren galt: Solche Dinge sind stabil und zerfallen wieder, da sich bei einem Atom Dicke keine Kristalle bilden können und die Bindekraft der Einzelatome nachlässt. 2004 stellten die Nobelpreisträger (2010) André Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester fest: Graphen hält sich nicht an die Theorie und bleibt stabil.

Die zweidimensionale Wabenstruktur von Graphen © ogwen – Fotolia.com

Wegen seiner Leitfähigkeit und Flexibilität sorgt Graphen in Forschung und Industrie für großes Aufsehen. Laut zahlreichen Medienberichten soll es sich für ziemlich viel eignen: Mikrochips, flexible Touchscreens, durchsichtige Solarzellen auf Fenstern, federleichter Nässeschutz für Fasern und vieles mehr. Ein Zaubermaterial halt.

„Also, für Logikschaltungen in Mikrochips eignet sich Graphen schon mal nicht“, erdet Prof. Dr.-Ing. Max Lemme die Diskussion. Er leitet den Lehrstuhl für Graphen-basierte Nanotechnologie an der Universität Siegen und erklärt: „Es ist kein Halbleiter, weshalb die aktuelle Forschung wieder von dieser Anwendung abgerückt ist.“

Er ergänzt: „Da eignen sich andere Stoffe viel besser, zum Beispiel Molybdändisulfid.“ Das ist eigentlich ein trockenes Schmiermittel mit einer Graphit-ähnlichen Konsistenz. Es ist in der Autoindustrie schon lange bekannt, als Hauptbestandteil eines viel genutzten Motoröl-Additivs.

Die Forschung kennt inzwischen etwa 500 verschiedene Stoffe, die ähnliche Eigenschaften wie Graphen oder Molybdändisulfid haben. In den Medien ist aber vorwiegend von dem zweidimensionalen Kohlenstoff die Rede die Rede. Es besitzt eine Reihe von interessanten Eigenschaften – ein großes Potential.

Für eine fast nicht vorhandene Atomlage ist das Material ziemlich fest. Es ist biegsam, undurchlässig für Flüssigkeiten und Gase, härter als Diamant und sogar 125mal zugfester als Stahl. „Natürlich immer bezogen auf die Dicke der Graphenschicht“, zerstört Max Lemme direkt die sich aufdrängende Vorstellung von Alien-Technologie aus der Festung der Einsamkeit. „Graphen ist wie jede Struktur dieser Art eigentlich sogar sehr zerbrechlich.“

Flexible Smartphones

Einfach Graphen anfassen und schauen, ob es wirklich so durchsichtig wie Glas ist – das geht nicht. Entsprechend arbeitet Lemme in seinem Siegener Labor nicht mit der Hand und Graphen-Blättern oder wie auch immer sich der Alltagsverstand den Umgang mit diesem Material vorstellt.

Er nutzt runde Scheiben („Wafer“) aus Silizium, wie in der Halbleiterindustrie üblich. Auf ihnen befindet sich eine Schicht reines Graphen. Lemme geht wie jeder Forscher vor: Er experimentiert, misst, probiert allerlei Varianten aus und ermittelt, wie Graphen auf Elektrizität reagiert oder mit anderen Werkstoffen zusammenarbeitet.

So könnte ein flexibles Smartphone mit Graphen-beschichtetem Display aussehen © bonninturina - Fotolia.com

So könnte ein flexibles Smartphone mit Graphen-beschichtetem Display aussehen © bonninturina – Fotolia.com

Ein möglicher Anwendungsbereich sind Touchscreens von Mobilgeräten. Science-Fiction-Fans kennen das aus dutzenden Filmen: Ein eher schmales Mobiltelefon, aus dem am Rand ein flexibles und recht großes Touchscreen-Display herausgezogen wird. Vorher war es aufgerollt im Inneren des Gerätes.

Mit Graphen rückt ein solches Gerät in greifbare Nähe. Die Schicht des Materials arbeitet als ultraleichte „Touch-Folie“ und könnte zusammen mit einem biegsamen Display zu einer Art aufrollbarem Smartphone werden. Auch für Displays kann Graphen nützlich sein, denn damit sind sehr große, aber trotzdem leichte Touchscreens im Leinwandformat möglich.

Eine andere Idee, der Lemme und seine Kollegen aus der Graphen-Forschung nachgehen: Graphen könnte in Kombination mit herkömmlichen Silizium-Schaltkreisen zu einer erweiterten Funktionalität führen. So ist es denkbar, Computerchips mit Graphen-Sensoren auszustatten oder kostengünstig um „Wireless“-Fähigkeiten zu erweitern.

Ebenso könnte Graphen mit Hilfe eines Druckers auf einem Trägerstoff ausgegeben werden, so dass zum Beispiel die leitfähigen Schichten für Schaltkreise damit ausgedruckt werden können. Welche dieser und einer ganzen Reihe anderer Anwendungen sich letztendlich in der Praxis durchsetzen wird, ist noch offen. Aber es wird viel geforscht, auf der ganzen Welt, an Universitäten und in Unternehmen.

So ist beispielsweise auch Samsung sehr aktiv in der Graphen-Forschung. Und die Europäische Kommission hat kürzlich ein riesiges Verbundprojekt aufgelegt, bei dem in den nächsten Jahren eine gute Milliarde Euro für die Forschung an und mit Graphen ausgegeben wird.

Profitabler Anlagenmarkt

„Die anwendungsorientierte Forschung zu Graphen erfordert noch viel Arbeit“, meint Lemme mit Blick auf seine Kooperation mit Infineon und anderen Unternehmen. Es sei denkbar, dass von den vielen Möglichkeiten letztlich nur wenige übrig bleiben. Lemme ist die Medienpräsenz des Stoffes etwas unheimlich, denn sie weckt Erwartungen, die der Realität vielleicht nicht standhalten – diese Möglichkeit gibt es in der Wissenschaft immer.

Zugespitzt ausgedrückt: Graphen kann ähnlich wie die Kohlenstoffnanoröhre vom umjubelten heiligen Gral der Materialforschung zur Randexistenz abstürzen. Der Hype um Graphen ist zwar gigantisch, doch dahinter verbirgt sich bereits jetzt ein Markt, allerdings ein winziger.

Eine Anlage für die Graphen-Herstellung © AIXTRON

Eine Anlage für die Graphen-Herstellung © AIXTRON

„Unsere Anlagenverkäufe sind zuletzt deutlich gestiegen und haben sich zu einem profitablen Geschäft entwickelt“, sagt Prof. Dr. Michael Heuken, Leiter der Forschungsabteilung von AIXTRON, einem weltweit führenden Anbieter von Beschichtungsanlagen für die Halbleiterindustrie. Das Unternehmen aus Herzogenrath bei Aachen ist einer der wenigen Lieferanten von Industrie- und Forschungsanlagen, die Graphen-Wafer in größeren Mengen produzieren können.

„Als Anlagenhersteller profitieren wir von so einer Entwicklung natürlich in einem sehr frühen Stadium“, sagt Heuken und schränkt ein: „Allerdings entspricht das derzeit noch einem sehr kleinen Teil unseres Gesamtumsatzes.“ Eines ist jedoch sicher: Wenn sich der Markt so entwickelt, wie das die Teilnehmer am EU-Projekt und alle anderen Graphen-Fans sich vorstellen, spielen die Maschinenbauer aus dem Rheinland in vorderster Linie mit.

Zur Zeit handelt es sich für das mittelständische Unternehmen um eine Wette auf die Zukunft: Es baut einerseits Knowhow in einer möglichen Erfolgsbranche auf. Andererseits bildet es einen kleinen Kundenstamm in Universitäten und Forschungsabteilungen. Der kann sich aber jederzeit erweitern. Wenn Graphen ein Hit wird, landen viele Mitarbeiter aus der Forschung als Manager in der produzierenden Industrie und bestellen vielleicht lieber in Herzogenrath als anderswo.

Graphen mag ein Wundermaterial sein, doch das ist erst der Anfang. Wird es ein Erfolg? Und wenn ja, in welchem Einsatzgebiet? Das EU-Projekt begeht nicht den Fehler, sich auf einen einzelnen Bereich zu stürzen. So relativiert sich dann auch die gigantisch wirkende Milliarde, die über 10 Jahre hinweg an 75 Forschergruppen in 17 EU-Ländern verteilt wird.

Konzerne wie Samsung dagegen forschen deutlich enger gefasst an ganz bestimmten Anwendungen. Der koreanische Elektronikriese setzt auf Graphen, da es eine Lösung für biegsame Smartphones ist. Ein Erfolg würde seine Position im Smartphone-Markt auf Jahre hinaus zementieren.

Auch hier wieder die bei innovativen Unternehmen typische Wette auf die Zukunft. Entscheidend für die europäische Wirtschaft ist, rasch Top-Anwendungen von den Flops zu trennen und dann zu verhindern, dass die entsprechenden Produkte für Endanwender woanders hergestellt werden.

Bilder: © Kumbabali – Fotolia.com, © ogwen – Fotolia.com, © bonninturina – Fotolia.com, © AIXTRON

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