Das „Wundermaterial“ Graphen

Zweidimensionaler Kohlenstoff, Graphen, ermöglicht völlig neue und miniaturisierte Sensoren mit sehr hoher Empfindlichkeit. Diese können z. B. Sprengstoffe anzeigen, wenn nur ein Molekül an das Graphen andockt.

Graphen ist eines der dünnsten Materialien der Welt: Es besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die wabenförmig angeordnet sind. Aus der zweidimensionalen flachen Schicht lassen sich andere Formen wie Röhren oder Kugeln bilden. Seit seiner ersten Isolierung im Jahr 2004 werden die erstaunlichen Eigenschaften und möglichen Anwendungen von Graphen erforscht.

Spürnase für chemische Verbindungen

Da sich in Graphen jedes Atom an der Oberfläche befindet, treten die Ladungsträger in unmittelbare Wechselwirkung mit der chemischen Umgebung. So lassen sich mit Graphen-Nanobändern hochempfindliche (bio-)chemische Sensoren herstellen. Diese können zum Beispiel Explosivstoffe wie Trinitrotoluol (TNT) aufspüren. Bindet sich ein TNT-Molekül an ein Graphen-Nanoband, ändert sich dessen elektrischer Widerstand messbar. Sogar ein einziges TNT-Molekül ließe sich so nachweisen. Mit dem neuartigen Sensor könnte man zum Beispiel Seeminen in den Weltmeeren aufspüren.

Was ist das Besondere an Graphen? 

Graphen ist dünn und biegsam, transparent, extrem leicht und dennoch 125-mal zugfester als Stahl. Das liegt an der starken Verbindung der Kohlenstoffatome untereinander. Strom wird in Graphen nahezu widerstandsfrei transportiert, weswegen es als eines der Zukunftsmaterialien für Computertransistoren gilt. Mit Transistoren aus Graphen wären Prozessor-Taktraten von 500 bis 1.000 Gigahertz möglich. Zum Vergleich: Herkömmliche Siliziumtransistoren schaffen Taktraten von rund 5 Gigahertz. Denkbar ist auch die Verwendung im Bereich der Energiespeicherung für Elektroden. So wären mehr Lade- und Entlade-Zyklen oder eine schnellere Ladezeit möglich. Auch für flexible, transparente Displays lässt sich Graphen verwenden.

Problem: die Herstellung

Das extrem dünne Graphen lässt sich nur schwer handhaben und im industriellen Maßstab noch nicht lohnend herstellen. Die hohe Leitfähigkeit des Materials hat zudem einen Nachteil: In Graphen wandern immerzu Elektronen durch das Material, weswegen sich Schaltelemente aus Graphen nie ganz ausschalten lassen. Um die Eigenschaften eines Halbleiters zu erhalten, müsste das Graphen modifiziert und mit anderen Elementen dotiert werden. Das wiederum würde seine Leitfähigkeit beeinträchtigen.

 

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