Wasser mit Spüli, ein bisschen Grafit, zum Beispiel aus einem Bleistift, und einen Küchenmixer: Mehr braucht es nicht, um Graphen herzustellen. Das berichtete kürzlich ein Forscherteam um Jonathan Coleman vom Trinity College Dublin in Irland im Fachblatt Nature Materials. Graphen ist ein zweidimensionales Netzwerk aus Kohlenstoff-Sechsecken und hat außergewöhnliche Eigenschaften; 2010 gab es dafür den Physik-Nobelpreis. Die hauchdünnen Schichten sind härter als Diamant, stärker als Stahl, durchsichtig, und sie leiten sehr gut elektrischen Strom. Deshalb könnten sie in Zukunft zum Beispiel Plastik verstärken, in druckbarer Elektronik zum Einsatz kommen und Batterien, Brennstoff- und Solarzellen verbessern.
Im Labormaßstab lassen sich Graphenschichten mithilfe von Tesafilm herstellen, wie der Physiker Andre Geim von der University of Manchester nach seiner Auszeichnung 2010 vorführte. Etwas Grafit auf die Klebeschicht und dann immer wieder zusammenpappen und auseinanderziehen, bis eine Lage von der Höhe eines Atoms übrig bleibt. Das neue Mixer-Verfahren des Iren Coleman hingegen ist für größere Anwendungen gedacht, auch wenn die Produktion des potenten Materials theoretisch in der eigenen Küche starten könnte. "Soweit ich weiß, ist es das einzige Verfahren, mit dem qualitativ hochwertiges, defektfreies Graphen auch im industriellen Maßstab hergestellt werden kann", sagt der Wissenschaftler. Der britische Industriepartner Thomas Swan betreibt schon eine erste kleinere Pilotanlage. Eine größere Anlage für die Produktion im Kilogramm-Maßstab will er noch in diesem Jahr bauen.
Der Sauerstoff bläst die Graphenlagen auseinander, so wie der Wind einen Papierstapel
Mit dem neuen Herstellungsverfahren wird Graphen aus dem Ausgangsmaterial Grafit sozusagen herausgelöst, denn Grafit ist nichts anderes als ein Stapel aus Graphenschichten. Beim Rühren wirken Scherkräfte und überwinden die Anziehung zwischen den Schichten. Gleichzeitig wandert Flüssigkeit - das kann Wasser mit oberflächenaktiven Inhaltsstoffen wie Geschirrspülmittel sein - in den Graphenstapel. "Die Flüssigkeit ist der Schlüssel. Sie schiebt die Schichten regelrecht auseinander", berichtet der Physiker. In früheren Versuchen hatten die Forscher Graphenlagen mit Ultraschall getrennt, das funktionierte aber nur bei kleineren Mengen.
In Mainz arbeitet Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung, an chemischen Methoden zur Graphenproduktion. "Colemans Technologie ist interessant, aber nur eine von mehreren möglichen", sagt er. Der Chemiker berichtet unter anderem von einer elektrochemischen Methode, mit der sich das Wundermaterial aus einer Grafit-Elektrode gewinnen lässt. "Damit können ebenfalls größere Mengen hergestellt werden." Hier wirkt elektrische Energie auf die Graphenschichten: Ionen, also elektrisch geladene Teilchen, schieben sich dazwischen. Hilfreich sei auch Sauerstoff, der an der Grafit-Elektrode entsteht und die Graphenlagen auseinanderbläst wie der Wind die Blätter eines Papierstapels.
Unklar ist allerdings, wie viel Graphen künftig überhaupt benötigt wird. "Für die Anwendungen im elektronischen Bereich zum Beispiel braucht man das Material auf keinen Fall im Tonnenmaßstab", sagt der MPI-Chemiker. Dem stimmt zwar auch Jonathan Coleman zu. "Wenn man mit dem Material aber zum Beispiel Kunststoffe verstärken will, könnten durchaus auch größere Mengen nötig sein", schätzt er. Genaue Prognosen sind kaum möglich, denn wann auf welchem Gebiet der Durchbruch gelingt, steht noch in den Sternen. Zurzeit ist Graphen vor allem ein Versprechen, noch keine Lösung.