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Der Stoff aus dem die Träume sind

STZ, Juni 2021 - Graphen gilt als Wundermaterial der Zukunft. Die Liste der möglichen Anwendungen ist beinahe endlos. Doch die Herstellung ist bisher schwierig und teuer.

Spiel, Satz und Sieg. Novak Djokovic machte am 21. Februar kurzen Prozess mit seinem Gegner. Im Finale der Australian Open be- siegte er den Russen Daniil Medwedew 7:5, 6:2, 6:2. Eine schlechte Nachricht für die Fans von Roger Federer, denn mit dem Sieg festigte der exzentrische Serbe seinen Platz an der Spitze der Tennis-Weltrangliste, wo Federer insgesamt 310 Wochen zugebracht hat. Inzwischen hat Djokovic den Schweizer als Rekord-Nummer-Eins abgelöst.

Eine gute Nachricht aber für Head, die  Marke, mit deren Tennisschlägern Novak Djokovic antritt. Der «Djoker» spielt mit dem «Head Graphene XT Speed Pro». Der Name verrät es: Im Schläger ist Graphen. «Eine Siegertechnologie», behauptet das Head-Marketing. Im Schaft des Rackets sorge es für optimierte Gewichtsverteilung, ein verbessertes Handling und mehr Power. Im Schlägerkopf reduziere das Graphen die Verformung des Rahmens und führe zu einem verbesserten Energietransfer. Zum Strassenpreis von knapp 300 Franken können auch Normaltennisspieler den Schläger erwerben. Ob das Geld nicht besser in ein paar Trainerstunden investiert wäre, sei dahingestellt.

Mit Tesafilm zum Nobelpreis

2004 gelang es den Wissenschaftlern Konstantin Novoselov und Andre Geim erstmals das – theoretisch längst bekannte – Graphen herzustellen. Ihre Methode fast schon unwürdig für ein Material, das heute in Tennisschlägern, Ski, Rennradreifen oder Laufschu- hen neue Helden schafft: Mit Tesafilm zogen die beiden Forscher dünne Schichten von einem Graphitblock ab. Den Film klebten sie immer wieder auf andere Materialien und zogen ihn erneut ab. Jedes Mal wurde die Graphitschicht dünner, bis sie schliesslich nur noch ein einziges Atom stark war. So schufen Noselov und Geim ein Material, das seitdem die Fantasie von Wissenschaftlern und Marketing-Leuten beflügelt und das den beiden gebürtigen Russen 2010 den Nobelpreis für Physik eingebracht hat.

Heute, gut ein Jahrzehnt später, kann man den Stoff, aus dem die Träume sind, im Internet bestellen. Zum Beispiel «Graphene Nanopowder» als Forschungsmaterial, das Gramm zu rund 300 US-Dollar, also ungefähr so teuer wie einer von Djokovics Sieger-Schlägern. Wer beim Anbieter graphene-supermarket.com unter Industriematerialen nach Graphen sucht, findet jedoch nichts. Und genau da liegt die Krux: Wer Graphen zu akzeptablen Preisen in Industriemengen herstellen will, kann es nicht mit Tesafilm von Graphitblöcken abziehen.

Graphen ist nicht gleich Graphen

Graphen herzustellen ist schwierig. Und es ist um so schwieriger, je «echter» das Graphen sein soll. Genau genommen bezeichnet Graphen eine einzelne, frei stehende Monolage aus Kohlenstoffatomen, die in einem streng zweidimensionalen hexagonalen Gitter angeordnet sind. In der Praxis kommen nur hochwertige Materialien in Elektronikqualität einer solchen engen Definition nahe. Manche Experten bezeichnen das Sammelsurium unterschiedlicher Substanzen, die unter dem Begriff Graphen vermarktet werden, deshalb auch abfällig als «Graphen-Zoo». Doch auch wenn sie die Definition von idealem Graphen nicht erfüllen, können solche Stoffe, je nach Verwendungszweck, einzigartige oder fortschrittliche Eigenschaften im Vergleich zu Graphit und herkömmlichen Kohlenstoffmaterialien aufweisen.

Die Liste der bereits von Wissenschaftlern und Ingenieuren demonstrierten Anwendungen der «Graphene Related Materials» ist beinahe endlos: Akkus, die sich schneller laden lassen. Leistungsfähigere Mikroprozessoren. Leichte, starke und feuerfeste Materialien. Ein Sieb, das Salzwasser zu Trinkwasser filtert. Schmierstoffe, mit denen Motoren ewig halten. All das und vieles mehr liesse sich mit Graphen machen, wenn es denn in ausreichender Menge und kostengünstig zur Verfügung stünde. Weltweit wird deshalb mindestens ebenso intensiv an der industriellen Herstellung von Graphen geforscht,  wie an den Anwendungen.

Dabei stehen die untersuchten Produktionsverfahren in ihrer Vielfalt den Einsatzmöglichkeiten von Graphen kaum nach. Eine aussichtsreiche Methode ist zum Beispiel die Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bei diesem Verfahren wird ein Gasgemisch, in dem mindestens ein Gas Kohlenstoff enthält, stark erhitzt, sodass Plasma entsteht. Das Plasma bildet dann eine Graphen-Monoschicht auf einem Nickel-oder Kupfersubstrat, welches anschliessend chemisch aufgelöst oder mechanisch abgetrennt wird. Mit diesem Verfahren können grosse Graphenplatten hergestellt werden.

Lösen Bakterien das Problem?

Ein vielversprechendes Verfahren ist auch die Reduktion von vergleichsweise leicht herzustellendem Graphenoxid zu verwertbarem Graphen. Dabei kommen aber meist hochgiftige Chemikalien wie beispielsweise Hydrazin zum Einsatz. Ohne Gift stellten Forscher der University of Rochester (USA) und der TU Delft (NL) Graphen her. Genauer gesagt: Sie liessen es herstellen, und zwar von Bakterien der Gattung Shewanella. Die Wissenschaftler vermischten dazu Graphenoxid mit den Bakterien und diese produzierten über Nacht nutzbares Graphen. Laut  Studienleiterin Anne Meyer ist das von Bakterien hergestellte Graphen hochwertiger als bei anderen Herstellungsmethoden. Es ist dünner, sein Zustand ist stabiler, und es lässt sich länger lagern. «Unser bakteriell hergestelltes Graphen ist für die Produktentwicklung viel besser geeignet», sagt Meyer.

Eine nicht weniger exotische Methode haben Wissenschaftler vom Karlsruher Institut für Technologie präsentiert. Sie haben einen Prozess entwickelt, in dem das Treibhausgas Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff mithilfe katalytisch aktiver Metalloberflächen bei Temperaturen bis zu 1000 Grad direkt in Graphen überführt wird. Das nächste Forschungsziel der Arbeitsgruppe ist es nun, aus dem gewonnenen Graphen funktionierende elektronische Bauteile zu formen.

«Bakteriell hergestelltes Graphen ist für  die Produktentwicklung viel besser geeignet.»

Anne Meyer, University of Rochester

 

Autor: Hendrik Thielemann
Bildquelle: Leonard Zhukovsky
Artikel aus der STZ: Ausgabe Juni 2021

 

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