Graphen, diese programmierte Revolution der Elektronik, steht sie kurz bevor? 🕒

Thibaut Lalire – Doktorand in Materialwissenschaften, IMT Mines Alès – Institut Mines-Télécom

„Material des 21. ^Jahrhunderts“, „revolutionäres Material“ – so wird Graphen seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 durch Konstantin Novoselov und Andre Geim beschrieben. Die Arbeiten dieser beiden Wissenschaftler über Graphen brachten ihnen den Nobelpreis für Physik 2010 ein. Doch was ist 17 Jahre nach dieser Entdeckung aus diesem Material geworden?


Graphen ist weltweit bekannt für seine bemerkenswerten Eigenschaften in mechanischer, thermischer und elektrischer Hinsicht. Seine perfekte Wabenstruktur, die aus Kohlenstoffatomen besteht, macht Graphen zu einem leistungsfähigen Material in vielen Bereichen. Durch seine Morphologie in Form eines nur ein Atom dicken Blattes gehört es zur Familie der 2D-Materialien.

Seit seiner Entdeckung haben Industrieunternehmen ihre Forschung rund um dieses Material verstärkt. Verschiedene Anwendungen, die die elektrischen Eigenschaften von Graphen nutzen, konnten entwickelt werden. Zielsektoren sind unter anderem die Luftfahrt, die Automobilindustrie und die Telekommunikation.

Ist Graphen schon im Flugzeug?

Graphen wird wegen seiner außergewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit, aber auch wegen seiner geringen Dichte und Flexibilität genutzt. Diese Eigenschaften haben ihm einen Platz im streng limitierten Kreis der Materialien verschafft, die in der Luftfahrtindustrie verwendet werden.

Blitzeinschläge und Eisansammlungen auf der Außenhülle sind häufige Probleme, die Flugzeuge in großen Höhen betreffen. Ein Blitzschlag auf einer nicht leitfähigen Oberfläche kann schwere Schäden verursachen, die bis zur Entzündung der Maschine reichen können. Dank seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit ermöglicht der Einsatz von Graphen die Ableitung dieses Hochstroms. Die Flugzeugkonstruktion ist darauf ausgelegt, den Strom möglichst weit von Risikobereichen wie Treibstofftanks und Steuerkabeln zu entfernen, um so den Kontrollverlust der Maschine oder gar eine Explosion zu verhindern.


Ein mit graphenverstärktem Harz beschichtetes Material, ein sogenannter „Nanokomposit“, ersetzt metallische Beschichtungen. Dank seiner geringen Dichte können so leichtere Materialien hergestellt werden als die ursprünglichen, was die Masse des Flugzeugs und damit den Treibstoffverbrauch reduziert. Elektrisch leitfähige Materialien, die notwendig sind, um die Energie eines Blitzschlags abzuleiten, haben jedoch den Nachteil, elektromagnetische Wellen zu reflektieren. Das hindert sie daran, zum Beispiel im Militärbereich für Tarnkappensysteme eingesetzt zu werden.

Um diesen Nachteil zu beheben, wurden verschiedene Graphenformen entwickelt, die seine elektrische Leitfähigkeit erhalten und gleichzeitig die Tarnfähigkeit verbessern. Eine dieser neuen Strukturen ist der „Graphenschaum“. Die elektromagnetische Welle dringt in das Material ein, wo sie in alle Raumrichtungen reflektiert und schließlich eingeschlossen und abgeschwächt wird. Die Welle kehrt nicht zum Radar zurück, die Maschine wird unsichtbar, und man spricht von „elektromagnetischer Abschirmung“.

Graphen für die Energiespeicherung

Graphen hat auch im Bereich der elektrischen Energiespeicherung seinen Platz gefunden.

Graphen ist ein idealer Kandidat für Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien oder Superkondensatoren. Zum einen wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, zum anderen wegen seiner großen spezifischen Oberfläche (die Oberfläche, die den Ionen zur Verfügung steht und die den Elektronenaustausch zwischen der Graphenelektrode und dem Lithium erleichtert). Dies führt zu einer hohen „Speicherkapazität“.

Eine große Menge an Ionen kann sich leicht zwischen den Graphenschichten einlagern, was den Austausch von Elektronen mit dem Stromsammler erleichtert und so die Speicherkapazität der Elektrizität und damit die Batterielebensdauer erhöht. Die leichte Einlagerung der Ionen in die Graphenelektrode und deren hohe elektrische Leitfähigkeit (für einen schnellen Elektronentransfer) ermöglichen einen deutlich schnelleren Lade-/Entladezyklus der Batterie.

Die hohe Leitfähigkeit von Graphen ermöglicht die Bereitstellung großer Energiemengen in sehr kurzer Zeit und erhöht so die Leistung von Superkondensatoren. Graphen ist auch ein guter Wärmeleiter, was die Temperaturerhöhung der Batterien durch Wärmeableitung begrenzt.


Auf industrieller Ebene gibt es bereits einen externen Akkupack von Real Graphene, der eine vollständige Aufladung eines Mobiltelefons in 17 Minuten ermöglicht. In einem ganz anderen Bereich arbeitet Mercedes an einem Prototyp eines Autos mit einer Batterie aus Graphenelektroden, das mit einer Reichweite von 700 Kilometern und einer Ladezeit von 15 Minuten angekündigt wurde – derzeit scheinen diese Werte gerade bei Elektrofahrzeugen, die auf Batterien mit hoher Speicherkapazität angewiesen sind, überraschend.

Seinen Platz in der Elektronik finden

Wo Graphen gegenüber Halbleitern ins Hintertreffen gerät, ist im Bereich der Elektronik. Seine elektronischen Eigenschaften – bedingt durch seine „Bandstruktur“ – machen die Steuerung der Elektronen unmöglich, und Graphen verhält sich wie ein Halbmetall. Daher bleibt die Verwendung von Graphen in der binären – digitalen – Elektronik schwierig, insbesondere bei Transistoren, die in der Regel aus Halbleitern bestehen.

Um Graphen in einem Transistor einzusetzen, muss seine Bandstruktur modifiziert werden, was in der Regel die Zerstörung seiner Wabenstruktur und seiner anderen elektrischen Eigenschaften zur Folge hat. Um die 2D-Struktur beizubehalten, ist es notwendig, die chemische Zusammensetzung der Atome im Material zu verändern, beispielsweise durch die Verwendung von Bornitrid oder Übergangsmetall-Dichalcogeniden, die ebenfalls zur großen Familie der 2D-Materialien gehören.


Will man dennoch Graphen nutzen, sollte man Anwendungen anvisieren, bei denen auch mechanische Eigenschaften (Flexibilität) gefragt sind, wie etwa bei Sensoren, Elektroden oder bestimmten Transistoren für die analoge Elektronik, wie etwa Graphen-Field-Effect-Transistoren (GFET). Große Smartphone-Hersteller arbeiten auch an der Entwicklung von flexiblen Displays für Mobiltelefone, um die Ergonomie zu verbessern.

Die Herstellung künftiger Quantencomputer könnte auf Materialien zurückgreifen, die als „topologische Isolatoren“ bezeichnet werden. Diese Materialien sind elektrisch leitfähig an der Oberfläche, aber isolierend im Inneren. Derzeit konzentriert sich die Forschung auf die topologische Phase von Graphen, bei der die elektrische Leitfähigkeit nur an den Rändern stattfindet.


Die Vielfalt der Anwendungen von Graphen zeigt das gesamte Potenzial dieses Materials und eröffnet neue Horizonte in Bereichen wie der Optoelektronik und Spintronik.

Dieses Material konnte sich zwar bereits in der Industrie bewähren, doch eine Revolution hat es bislang nicht ausgelöst. Dennoch entdeckt die Forschung jedes Jahr neue mögliche Anwendungsfelder. Gleichzeitig werden ständig Synthesemethoden entwickelt, um die Kosten für Graphen pro Kilogramm zu senken und ein Material von höherer Qualität zu erhalten.

Quelle: The Conversation unter Creative Commons-Lizenz