Das Karriereportal für Wissenschaft & Forschung von In Kooperation mit DIE ZEIT Forschung und Lehre

Ein Duo mit Spieltrieb

VON MAX RAUNER UND ULRICH SCHNABEL

Ihr Wunderstoff soll die Elektronik umkrempeln. Ein Küchenexperiment bringt zwei Physikern den Nobelpreis.

Ein Duo mit Spieltrieb © Friedrun Reinhold - Körber-Stiftung Die beiden Physiknobelpreisträger 2010: Konstantin Novoselov (links) und Andre Geim (rechts) mit ihrer Kollegin Irina Grigoriewa
Als im April 1997 das Foto eines in der Luft schwebenden Froschs in der Zeitschrift Physics World erschien, lachten viele Physiker über den scheinbaren Aprilscherz. Das Lachen blieb ihnen im Halse stecken, als sie erfuhren, dass Andre Geim den Frosch tatsächlich zum Fliegen gebracht hatte. Mithilfe eines starken Magneten war es ihm gelungen, die Wassermoleküle im Körper der Amphibie so auszurichten, dass diese - wie ein Astronaut in der Schwerelosigkeit - durch die Luft trudelte.

»Wenn man keinen Sinn für Humor hat, ist man in der Regel auch kein guter Wissenschaftler«, kommentierte Geim. »Die Leute verstehen nicht, dass gute Wissenschaft nicht unbedingt langweilig sein muss.« Die rechte Anerkennung blieb ihm allerdings versagt. Der heitere Physiker bekam für sein Froschexperiment nur den satirischen Ig-Nobelpreis (von engl. ignoble: unwürdig, schmachvoll) verliehen. Seit Dienstag dieser Woche lästert niemand mehr über Geim: Nach dem Ig-Nobel wurde ihm nun auch der echte Nobelpreis zugesprochen. Damit ist er der erste Mensch überhaupt, dem beide Ehrungen zuteilwurden. Ausgezeichnet wird er zusammen mit Konstantin Novoselov, der wie Geim in Russland geboren ist und heute mit ihm in Großbritannien an der Universität Manchester arbeitet.

Die beiden erhalten den mit rund einer Million Euro dotierten Physiknobelpreis allerdings nicht für ihren Froschversuch; auch nicht für das »Gecko- Klebeband«, das sie 2003 erfanden: Es ist mit winzigen Kunststoffhärchen besetzt und haftet nach dem Prinzip der Geckofüße so fest, dass ein Mensch damit an Decken und Wänden laufen könnte. Nein, ausgezeichnet werden Geim und Novo selov für eine weitere ihrer erstaunlichen Entdeckungen: die des »Wundermaterials« Graphen (betont wird das e). Es ist das dünnste Material, das es nach heutigem Kenntnisstand im Universum gibt. Es ist biegsam wie eine dünne Plastikfolie und so hart wie Diamant. Zugleich leitet es elektrischen Strom rund hundertmal so gut wie herkömmliche Kupferkabel. Dank dieser einzigartigen Eigenschaften könn te Graphen künftig das Silizium in Computerchips ersetzen, als Basis für effektivere Solarzellen dienen, in ultraharten Werkstoffen stecken oder superdünne, lichtempfindliche Beschichtungen für berührungsempfindliche Bildschirme ermöglichen. Und das Verblüffendste daran: Graphen ist eigentlich ein Allerweltsstoff. Tatsächlich hat jeder, der mit einem Bleistift schreibt, das nobelpreiswürdige Material schon mal auf Papier gebracht. Es entsteht aus nichts anderem als Grafit, aus dem altbekannten Kohlenstoff also. Die dreidimensionale Struktur des Grafits ist wie eine Art Blätterteig aus zahllosen Graphenplättchen geschichtet. Graphen selbst ist zweidimensional, nur eine Atomlage dick und besitzt eine maschendrahtähnliche Struktur.

»Kohlenstoff, die Basis allen Lebens auf der Erde, hat uns wieder einmal überrascht«, schreibt das Nobelpreiskomitee dazu. Denn Graphen hätte es eigentlich nie geben dürfen, das jedenfalls glaubte die Fachwelt lange Zeit. Alle Versuche, es herzustellen, waren gescheitert. Geim und Novoselov versuchten es trotzdem. »Es war die Suche nach der Nadel im Heuhaufen«, erinnerte sich Geim später, »nur dass wir nicht wussten, ob die Nadel überhaupt existiert.«

Zuvor hatten Chemiker zum Beispiel versucht, Grafitschichten aufzuspalten, indem sie einzelne Moleküle wie Keile hineintrieben - vergeblich. Das Ergebnis sah aus wie feuchter Ruß. Andre Geim wollte zunächst Grafitkristalle immer weiter polieren, bis nur noch wenige Atomlagen übrig bleiben sollten. Ein eigens eingestellter chinesischer Wissenschaftler feilte mit unendlicher Geduld vor sich hin. Doch alle Versuche schlugen fehl, und der Verbrauch der teuren Kristalle ging ins Geld.

Da verfiel das erfindungsreiche Physiker-Duo auf eine fast wahnwitzig simple Idee: Sie klebten einen Grafitkristall auf einen Streifen Tesafilm und zogen ihn wieder ab, sodass ein Plättchen Grafit an dem Film haften blieb wie ein Rest Farbe. Dann falteten sie das Klebeband und zogen von dem dünnen Plättchen eine weitere Schicht ab - und so fort. Nachdem sie diese Prozedur bis zu 20-mal wiederholt hatten, hafteten an dem Klebefilm winzige Späne aus extrem dünnen Lagen. Dieses Experiment kann jeder Fünfjährige an Mamas Schreibtisch nachmachen. Nicht ganz so einfach ist es allerdings, die einatomigen Grafitschichten auf dem Tesafilm tatsächlich zu finden. Geim und Novoselov drückten das Klebeband dafür auf eine Siliziumscheibe, das Basismaterial der Mikroelektronik. Einige Grafitreste vom Klebeband blieben darauf haften. Unter dem Mikroskop erkannten die Forscher schließlich, dass darunter auch Schichten aus nur einzelnen Atomlagen waren. Im Oktober 2004 veröffentlichten sie ihre Entdeckung in Science.

»Das war etwas fundamental Neues, das erste Material, das wirklich zweidimensional ist«, erinnert sich der Physiker Ulrich Zeitler von der Universität Nijmegen, wo Geim und Novoselov früher arbeiteten. Zwar hatten die beiden zunächst nur winzige Stückchen Graphen hergestellt, aber das reichte schon, um dessen verblüffende Eigenschaften zu studieren. Bald beflügelten sie die Fantasie von Grundlagenforschern und Ingenieuren gleichermaßen. Denn elektrischer Strom fließt durch die perfekten Strukturen nahezu ohne Widerstand. Würde man elektronische Bauteile aus Graphen statt aus Si lizium herstellen, wären sie kleiner und schneller als alle heutigen Mikrochips. Der Computer konzern IBM präsentierte in diesem Frühjahr einen rekordschnellen Graphentransistor. Und das ist erst der Anfang. Das Stockholmer Nobelpreiskomitee fantasiert in seiner Preisbegründung von durchsichtigen, papierdünnen Rechnern zum Aufrollen für die Handtasche. Erst im vergangenen Jahr hatte Geim in Hamburg den Körber-Preis bekommen, für sein Material und dessen Potenzial, »Mikroelektronik sowie Computertechnik zu revolutionieren«.

Sicher ist: Die Graphenforschung boomt, das Wundermaterial hält weitere Überraschungen bereit. Erst im August bejubelten chinesische Forscher Graphenoxid als hocheffektiven Bakterienkiller. Damit eignet es sich, ganz praktisch, als Mittel gegen üblen Fußgeruch. Dieser unerwartete Einsatz wäre wohl ganz im Sinne von Andre Geim.


Mit Humor zum Erfolg
Die Forschung von Andre Geim und Konstantin Novoselov hat fliegende Frösche hervorgebracht, ein »Gecko-Klebeband« und Graphen, das dünnste Material im Universum.


Aus DIE ZEIT :: 07.10.2010

Ausgewählte Artikel
Ausgewählte Stellenangebote