Wunderstoff Graphen
Maschendraht aus Kohlenstoff-Atomen

Für die Erforschung des „Wundermaterials“ Graphen erhalten die Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov den diesjährigen Nobelpreis in ihrer Fachrichtung. Doch was ist das Besondere an dieser speziellen Kohlenstoffvariante? Ein paar Antworten.
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Fast alles um uns herum hat die drei Dimensionen Länge, Breite und Höhe. Anders ist es bei jener Kohlenstoff-Variante, für deren Erforschung Andre Geim und Konstantin Novoselov den Physik-Nobelpreis 2010 erhalten. Dieses Graphen (mit Betonung auf der zweiten Silbe) ist nur eine Atomlage dick. Lediglich in Breite und Länge besitzt es eine Ausdehnung.

Am ehesten lässt sich Graphen mit einem entrollten Kaninchen- oder Maschendraht vergleichen: Der liegt als einzelne Lage flach auf dem Boden. Die Knotenpunkte des Maschendrahtes entsprechen im Mikrokosmos der Position der Kohlenstoff-Atome. In diesem Vergleich nehmen die einzelnen Drähte die Bindungen zwischen den Atomen ein. Die Maschen sind allesamt sechseckig, gleich groß und exakt symmetrisch.

Dünn, hart und leitfähig

Obwohl Graphen das dünnste bekannte Material ist, erweist es sich härter als Diamant. Zugleich hält es Helium zurück, das kleinste bekannte Gasteilchen. Außerdem bewegen sich die Elektronen – und damit der elektrische Strom – durch das Graphen so schnell wie durch kein anderes bekanntes Material. Und die nur ein Atom dicke Schicht leitet Wärme besser als Kupfer.

Dabei ist Graphen weder teuer noch exotisch. In einer einfachen Bleistiftmine (aus der Kohlenstoff-Form Graphit) finden sich Milliarden Lagen Graphen. Und wer einen Hauch Graphit immer wieder zwischen zwei Klebestreifen auseinanderzieht, schafft dünnere und dünnere Flocken – und schließlich das nicht mehr spaltbare Graphen. Doch erst 2004 stellt die Gruppe um Geim das Material gezielt her.

Graphen ist praktisch durchsichtig, leitet den Strom gut und eignet sich damit als Bauteil für berührungsempfindliche Bildschirme, Solarzellen oder Leuchtflächen. Wer es Kunststoffen zusetzt, lässt diese stabiler, robuster und leitfähiger werden. „Wir wissen noch nicht, wofür man Graphen wirklich anwenden kann. Aber ich hoffe, dass es genauso unser Leben verändern kann wie Plastik“, sagte Geim.

Das Element Kohlenstoff

Das Element Kohlenstoff kommt auf der Erde in zahlreichen Erscheinungsformen vor. Das Graphit im Bleistift und der Diamant im Ehering sind wohl die bekanntesten. Aufgrund seiner besonderen chemischen Eigenarten kann Kohlenstoff aber auch die fußballartigen Fullerene oder das nur eine Atomlage dicke Graphen bilden. Wird dieses aufgerollt, entstehen Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

In chemischen Reaktionen entstehen aus Kohlenstoff außerdem lange Ketten, vielfach verschachtelte Ringe oder gar dreidimensionale Körper. Kohlenstoff ist eines der bedeutendsten Elemente und hat vielfältige biologische Bedeutung. Proteine, Zucker, Fett, die Erbsubstanz DNA –­ überall hat Kohlenstoff einen wichtigen Anteil. Öl, Erdgas und Kohle bestehen ebenfalls zum Großteil aus Kohlenstoff und sind wichtige Ausgangsstoffe der chemischen Industrie.

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