Perfektes Graphen hergestellt nach der Gecko-Methode

Physiknobelpreisträger Klaus von Klitzing kann sich freuen wie ein Kind, wenn er mit einer neuen wissenschaftlichen Erkenntnis konfrontiert wird. Eine solche Gelegenheit gab es vor ein paar Jahren. Er klebte einen Streifen Tesafilm auf einen Grapitblock und zog ihn wieder ab. „Das ist tatsächlich Graphen“, staunte der Direktor am Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart. Diese verblüffend einfache Methode war die erste, die genutzt wurde, um das als Wundermaterial gepriesene Gitternetz aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen herzustellen. Für eine industrielle Produktion eignet sich das allerdings nicht.

Graphen scheidet sich im Vakuum auf Kupfer ab

Die Lösung fanden zwei Jungforscher, Luca Banszerus und Michael Schmitz, des 2. Physikalischen Instituts der RWTH Aachen sowie weitere Wissenschaftler der RWTH und des Forschungszentrums Jülich. Sie produzieren Graphen in einer Vakuumkammer, indem sie Methan, das Kohlenstoff enthält, atomfein zerstäuben. Es scheidet sich als perfektes bienenwabenförmiges Gitter auf einer Kupferfolie ab.

„Kupfer wirkt wie ein Wegweiser für den Kohlenstoff“, sagt Professor Rolf Mülhaupt vom Freiburger Materialforschungszentrums (FMF), das zur Albert-Ludwigs-Universität gehört. Mülhaupt ist einer der wichtigsten deutschen Graphenforscher.

Das Graphengitter auf der Folie zu platzieren ist kein großes Problem. Es zerstörungsfrei abzulösen schon. Bisher versuchen die Forscher es meist mit Säuren. Das funktioniert, denn eine der vielen Eigenschaften des Graphens ist seine Beständigkeit gegenüber ätzenden Flüssigkeiten. Doch derart abgelöste Gitter sind fast nie perfekt. Meist weisen sie Beulen oder Lücken auf.

Trennung mit extrem schwachen Kräften

Die Forscher aus Aachen und Jülich nutzen statt einer Säure die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte, um Graphen und Kupfer zu trennen. Diese schwachen Kräfte bilden sich zwischen Atomen oder Molekülen. Sie wirken nur auf extrem kurze Entfernungen. Geckos beispielsweise nutzen sie, um an Wänden und Decken zu laufen. An ihren Füßen befinden sich Millionen feinste Härchen, die jeweils eine winzige Anziehungskraft auf den Untergrund haben.

Das mit der Geckomethode produzierte Graphen hat höchste Qualität. Außerdem lässt sich die Kupferfolie immer wieder verwenden, während sie durch Säuren geschädigt wird. Das spart bei einer späteren industriellen Herstellung Ressourcen und damit Geld.

Graphen ist vielfach fester als Stahl, lässt sich zur Herstellung von leistungsfähigen Stromspeichern und superschnellen Transistoren nutzen. Es macht Oberflächen kratzfest, Autoreifen abriebfest, Kunststoffe zu elektrischen Leitern und Materialien zur Wärmedämmmung noch effektiver, um nur einige Anwendungsmöglichkeiten zu nennen. Dazu ist aber eine kostengünstige Produktionstechnik notwendig. Die Aachen-Jülicher Forscherallianz könnte auf dem richtigen Weg sein.

Auch Uni Duisburg-Essen arbeitet an Verfahren zur Graphen-Herstellung

Auch die Universität Duisburg-Essen (UDE) arbeitet an der Herstellung von Graphen und hat im vergangenen Jahr eine Maschine in Dienst gestellt, mit der sich Graphen in größeren Mengen produzieren lässt.