Physik-Nobelpreis an Geim und Novose

Die Physik-Nobelpreisträger Andre Geim und Konstantin Novoselov haben ein Material «entdeckt», dessen aussergewöhnliche Eigenschaften Forscher träumen lassen. Graphen ist die dünnste Form von Kohlenstoff, die man sich vorstellen kann. Das Nobelpreiskomitee muss sich immer wieder vorhalten lassen, es würdige wichtige Errungenschaften in den Wissenschaften viel zu spät. Tatsächlich sind die Preisträger oft schon im fortgeschrittenen Pensionsalter, wenn sie den wichtigsten Preis erhalten, den die Wissenschaft zu vergeben hat.

Beim diesjährigen Nobelpreis für Physik ist das allerdings anders. Die beiden Preisträger, die in Russland geborenen und heute an der University of Manchester tätigen Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov, stehen mit 52 beziehungsweise 36 Jahren noch mitten im Berufsleben. Am Dienstag hat die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften bekanntgegeben, die beiden würden für bahnbrechende Experimente mit dem zweidimensionalen Material Graphen geehrt. Am 10. Dezember, dem Todestag von Alfred Nobel, dürfen die beiden den mit umgerechnet 1,4 Millionen Franken dotierten Preis in Stockholm in Empfang nehmen.

Ein Ding der Unmöglichkeit

Graphen ist die dünnste Form von Kohlenstoff, die man sich vorstellen kann. Es besteht aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen, die hexagonal wie in einer Honigwabe angeordnet sind. Stapelt man viele dieser Atomlagen übereinander, so erhält man Grafit, das Material, das in jeder Bleistiftmine zu finden ist. Das Übereinanderstapeln ist allerdings eher gedanklich gemeint. Lange Zeit glaubte man nämlich, dass zweidimensionale Kristalle wie Graphen gar nicht in isolierter Form existieren können, sondern entweder sofort verklumpen oder sich aufrollen würden. Es war deshalb eine handfeste Überraschung, als Geim und Novoselov im Oktober 2004 in einer Publikation in der Fachzeitschrift «Science» das Gegenteil bewiesen.

Die beiden griffen eine Idee auf, die bereits einige Jahre zuvor von anderen Forschern propagiert worden war. Mit einem Klebeband rissen sie von einem Grafit-Block dünne Flocken ab, die dann mit einem zweiten Klebeband vom ersten abgeschält wurden. Indem die Forscher diesen Vorgang mehrmals wiederholten, erhielten sie immer dünnere Flocken, die dann auf eine Unterlage aus Silizium übertragen wurden. Als die Forscher die Flocken anschliessend mit mikroskopischen Methoden untersuchten, stellten sie fest, dass einige nur eine Atomlage dick waren. Entgegen der landläufigen Meinung war Graphen also bei Raumtemperatur stabil.

Weder Metall noch Halbleiter

Geim und Novoselov waren auch die Ersten, die die elektrischen Eigenschaften von Graphen untersuchten. Dabei stellte sich heraus, dass Graphen weder ein Metall noch ein Halbleiter ist: Während bei einem Halbleiter eine energetische Lücke zwischen dem vollbesetzten Valenz- und dem leeren Leitungsband liegt, berühren sich diese beiden Bänder bei Graphen. Man spricht deshalb auch von einem Halbmetall. Aus der Bandstruktur ergeben sich eine Reihe merkwürdiger Konsequenzen. So zeigen die Elektronen in Graphen ein Verhalten, wie man es normalerweise nur von relativistischen Teilchen kennt, die sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese formale Analogie hat es in den letzten Jahren möglich gemacht, mit Graphen relativistische Effekte zu untersuchen, die bis dahin nur theoretisch vorausgesagt worden waren. Bald entdeckten auch andere Forscher die Reize des neuartigen Materials. Und so zeigte sich rasch, dass Graphen nicht nur in elektrischer Hinsicht einiges zu bieten hat. Obwohl Graphen extrem dünn und leicht ist, hält es extreme mechanische Spannungen aus. Seine Bruchfestigkeit ist hundertmal so gross wie die einer ebenso dicken Lage aus Stahl.
Was das konkret bedeutet, wurde bei der feierlichen Bekanntgabe der Preisträger in Stockholm durch folgendes Beispiel veranschaulicht: Eine Hängematte aus Graphen wäre in der Lage, das Gewicht einer Katze zu tragen – und das, obwohl sie weniger wöge als ein Katzenhaar.

Dass mit einem Material dieser Güte hohe Erwartungen verbunden sind, versteht sich von selbst. Entsprechend lang ist die Liste der Anwendungen, die man dank Graphen zu realisieren hofft. Ganz oben auf der Wunschliste stehen ultraleichte Verbundwerkstoffe, die durch Graphen verstärkt werden, Transistoren aus Graphen, die den Strom schneller schalten als Silizium-Transistoren, oder Gassensoren, mit denen sich einzelne Moleküle nachweisen lassen. Natürlich darf auch der sagenumwobene Quantencomputer nicht fehlen.

Erst der Anfang

Vieles von dem ist heute noch Zukunftsmusik. Anderes ist hingegen schon relativ weit gediehen. So haben amerikanische Forscher erst vor kurzem einen hochgezüchteten Transistor aus Graphen vorgestellt, der puncto Schaltgeschwindigkeit mit den schnellsten Transistoren auf dem Markt mithalten kann. Eine mögliche Anwendung wäre die Verstärkung von hochfrequenten Signalen in der drahtlosen Kommunikation. Ermutigende Fortschritte gibt es auch bei dem Versuch, DNA-Moleküle zu sequenzieren, indem man sie durch eine Nanopore in der Graphen-Schicht zieht und währenddessen die Veränderung der Stromstärke misst. Dafür müssen zwar noch einige Hürden überwunden werden. Wenn man aber bedenkt, dass die «Entdeckung» von Graphen erst sechs Jahre zurückliegt, muss man sich um die weitere Zukunft dieses Materials kaum Sorgen machen.

6.10.2010