Nobelpreis Physik 2010: Das Wundermaterial Graphen
Auszeichnung für Graphen-Entdecker Mit Klebeband zum Physik-Nobelpreis
Physik kann ganz einfach erscheinen, das zeigt der diesjährige . Die beiden gebürtigen Russen Andre Geim und Konstantin Novoselov bekommen ihn für die Entdeckung und Erforschung eines Materials, mit dem wir eigentlich alle schon hantiert haben. Freilich ohne es zu bemerken.
Graphen heißt das zweidimensionale Gitter aus Kohlenstoffatomen, die darin in regelmäßigen Sechsecken angeordnet sind. Jedes Mal, wenn wir mit einem Bleistift auf Papier schreiben, können kleinere Stücke dieses Gitters entstehen. Denn die Bleistiftmine besteht aus Graphit, einem Kohlenstoffgitter. Und beim Reiben über Papier kann sich unter Umständen nur eine einzige Lage lösen.
Als Geim und Novoselov Graphen im Jahr 2004 erstmals im Labor herstellen und nachweisen konnten, war die Physikergemeinde verblüfft. Dass ein solches zweidimensionales Gitter prinzipiell existieren kann, wusste man aus theoretischen Überlegungen. Doch dass sich solche Matten tatsächlich erzeugen lassen, das glaubte kaum jemand.
Die beiden Physiker nutzten eine vergleichsweise primitive Methode: Sie nahmen ein glattes Stück Graphit, klebten ein Klebeband darauf und zogen es wieder ab. Mit der Zeit wurden die Kohlenstoffschichten immer dünner, die auf dem Tesafilm hafteten. Irgendwann war die Schicht nur noch ein Atom hoch, wie Untersuchungen mit einem Mikroskop zeigten. Das Graphen war fertig. Die Methode Tesafilm hat sich bewährt: "Das wird bis heute so im Labor gemacht", sagt Ingrid Mertig, Professorin für Festkörperphysik an der Universität Halle.
Extrem stabile Bindungen
Der "atomare Kaninchendraht" ist jedoch viel mehr als eine Entdeckung aus der Grundlagenforschung, Graphen hat herausragende Eigenschaften, für manche ist es ein Wundermaterial. Ein Quadratmeter des Gitters wiegt nicht einmal ein Milligramm. In einer Hängematte aus Graphen könnte es sich jedoch eine Katze gemütlich machen, das Netz würde nicht reißen.
Die hohe Festigkeit hängt mit dem Gitteraufbau zusammen: "Die chemischen Bindungen in Graphen sind sehr stark", sagt Mertig im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Ein Kohlenstoffatom möchte drei Nachbarn haben, um seine Elektronenschale aufzufüllen." In Graphen sei diese Struktur Realität.
Graphen ist ein sehr guter elektrischer Leiter und praktisch durchsichtig, es absorbiert nur 2,3 Prozent des durchscheinenden Lichts. Deshalb könnte es eines Tages in transparenten Touchscreens zum Einsatz kommen, denn bei Berührungen ändert sich sein Leitungsverhalten. Auch Solarzellen könnten aus Graphen produziert werden.
Vor allem die gute Leitfähigkeit hat Physiker regelrecht elektrisiert. Sie hoffen, bald Graphen-Transistoren bauen zu können, die deutlich schneller arbeiten als herkömmliche aus Silizium. Computerchips könnten dank des Materials deutlich schrumpfen. Graphen, so eine Vision, könnte das neue Silizium sein. Herkömmliches Plastik ließe sich damit sogar elektrisch leitfähig machen, wenn man etwa ein Prozent Graphen hinzufügt.
"Das hat mich schon überrascht"
Im Alltag ist das Wundermaterial noch nicht angekommen, auch wenn IBM bereits einen Transistor daraus gebaut hat. Aber der Durchbruch könnte bald kommen. "Das Interesse an Graphen ist riesig", sagt Kornelius Nielsch, von der Universität Hamburg. "Wir haben in Deutschland über hundert Arbeitsgruppen, die das Material erforschen." Insofern ist der Nobelpreis an Geim und Novoselov aus seiner Sicht auch hochverdient. "Die Entdeckung ist gerade mal sechs Jahre alt - die Zahl möglicher Anwendungen ist regelrecht explodiert", sagt der schwedische Physiker Lars Brink, der als Mitglied des Nobel-Komitees über den Preisträger 2010 mit entschieden hat.
Wolgang Sandner, Präsident Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), hatte die beiden russischen Forscher nicht unbedingt auf dem Zettel für den diesjährigen Nobelpreis. "Das hat mich schon überrascht", sagt er im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Andererseits hat es ja auch schon einen Nobelpreis für die Entdeckung der Fullerene gegeben."
Das war im Jahr 1996. Damals bekamen Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley den Chemie-Nobelpreis, weil sie ein ballförmiges Molekül aus 60 Kohlenstoffatomen hergestellt hatten. Die Oberfläche besteht wie bei klassischen Fußbällen aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken. Fullerene und auch , die ebenfalls aus Kohlenstoffmatten bestehen, bildeten den Anfang. Das 2004 entdeckte Graphen war im Grunde nur der nächste logische Schritt.
Dass gerade Geim und Novoselov das Material entdeckten, hängt sicher auch mit ihrer spielerischen Art des Forschens zusammen. In ihrem Labor an der University of Manchester verwenden sie nach eigener Aussage zehn Prozent der Zeit für "Feierabend-Experimente". Dann machen die Physiker alle möglichen verrückten Sachen, die vielleicht zu nichts führen, womöglich aber auch zu einer spektakulären Entdeckung. So entstand auch die Idee, mit Klebeband einzelne Atomlagen zu erzeugen.
Novoselov zeigte sich "schockiert" über den Nobelpreis. "Das ist einfach nur verrückt", sagte er der schwedischen Nachrichtenagentur TT. Er habe nicht mit dem Preis gerechnet. "Ich habe gelernt, nicht auf Spekulationen zu hören." Geim sagte dem Nobelkomitee am Dienstag, er habe gerade seine E-Mails gelesen, als er telefonisch informiert worden sei. "Ich habe gut geschlafen. Ich habe überhaupt nicht mit dem diesjährigen Nobelpreis gerechnet." Danach sei er gleich wieder an die Arbeit gegangen.
Novoselov ist mit 36 Jahren der jüngste Physik-Nobelpreisträger seit 1973. Für den 1958 geborenen Geim ist die diesjährige Auszeichnung eigentlich schon der zweite Nobelpreis. Im Jahr 2000 hatte er den der Harvard University erhalten. Geim hatte einen lebenden Frosch mit einem Magnetfeld zum Schweben gebracht.
