Graphen aus dem Küchenmixer

Graphen besteht aus einer einzigen Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome, ist aber zugfester als Stahl, fast durchsichtig, elektrisch leitend und vielfältig nutzbar. 2004 konnte das bis dahin nur theoretisch bekannte Material erstmals hergestellt werden. Doch im industriellen Maßstab ließ sich Graphen bisher entweder sehr aufwendig in guter Qualität herstellen – oder in großen Mengen, aber mit Materialfehlern. Nun stellten Wissenschaftler eine verblüffend einfache Methode vor, um Graphenflocken künftig tonnenweise und ohne Defekte zu produzieren. Dazu genügen Graphitpulver, ein großer Mixer, Wasser und Geschirrspülmittel, berichtet das Team im Fachblatt „Nature Materials“.

Großer Behälter mit Flüssigkeit, in den ein Mixer eintaucht.
Experimenteller Aufbau für die Graphenproduktion

Keith Paton vom Trinity College Dublin und seine Kollegen hatten zwischen 20 und 50 Gramm Graphitpulver in einen halben Liter Wasser gegeben und 10 bis 25 Milliliter handelsübliches Küchenspülmittel hinzugefügt. In einem Labormixer mit hoher Scherkraft rotierte das Gemisch 10 bis 30 Minuten lang, während die Graphitkörnchen zu einzelnen Graphenlagen zerfielen. Die seifige Flüssigkeit fördere das Aufspalten oder Aufblättern des Kohlenstoffgitters in einlagige Schichten, so die Forscher, während die Schlagmesser des Mixers für die nötige Energie und die Angriffspunkte sorgen.

Ergebnis des Prozesses ist eine Flüssigkeit, aus der sich die rund hundert Nanometer großen und nur einen Nanometer dicken Kohlenstoffflocken isolieren lassen. Sie lässt sich aber auch wie ein Lack auf Oberflächen auftragen oder als Beigabe zu Kunststoffen zu einem stabilen Verbundmaterial kombinieren. Zwar stellten die Forscher im Labor nur wenige Gramm Graphen her, doch im großen Maßstab sollten sich auch Tonnen davon produzieren lassen. Als Paton und sein Team das erfolgreiche Mischungsverhältnis entdeckt hatten, testeten sie den Ablauf auch mit einem normalen Küchenmixer – mit demselben Erfolg. Im Prinzip also, so die Forscher, könne jeder in seiner Küche künftig Graphenflocken in hoher Qualität herstellen. Zu empfehlen sei das aber nicht.

Wichtig für den Erfolg ist das exakte Mengenverhältnis von Seifenflüssigkeit zu Graphitpulver sowie dessen Körnung und Struktur. Mit den genaueren Details allerdings hält sich das Team bedeckt. Der theoretische Unterbau zum Experiment belegt nicht nur, ab welchen Mixgeschwindigkeiten sich die Kohlenstoffkristalle in ihre Einzellagen zerlegen – es verspricht auch, dass die Methode sich auf andere geschichtete Kristalle anwenden lässt wie den harten Werkstoff Bornitrit oder das oft als Schmierstoff verwendete Molybdänsulfid. 

Graphen gilt als Rohstoff für künftige Computergenerationen, rollbare Touchscreens, Solarzellen, Akkus und andere technische und elektronische Anwendungen. Erstmals theoretisch beschrieben wurde es 1947, allerdings galt es bis 2004 als nicht herstellbar, weil die einlagigen Graphenschichten als instabil galten. Das allerdings widerlegten Konstantin Novoselov und Andre Geim, die später dafür den Nobelpreis bekamen. Ihre simple Produktionsmethode beruhte auf einem Klebeband. Damit zogen die Forscher die oberste Schicht eines Graphitblocks ab, die noch aus mehreren Atomlagen Kohlenstoff bestand. Doch ein zweiter Streifen Klebeband löste davon wiederum die Oberfläche. Dieses Prinzip wiederholten die Forscher, bis nur noch eine – quasi zweidimensionale – Kohlenstofflage übrig blieb: Graphen. Seither forschen Wissenschaftler weltweit an dessen vielfältigen Eigenschaften und neuen Einsatzmöglichkeiten.