Der Entdecker des Wundermaterials

Konstantin Novoselov hat mit Graphen ein fantastisches Material entdeckt, das es eigentlich gar nicht geben sollte. Nun stehen zahlreiche Anwendungen bevor.

«Ich habe nicht gleich ein neues Auto gekauft», sagt Konstantin Novoselov. Foto: Herbert Zimmermann

«Ich habe nicht gleich ein neues Auto gekauft», sagt Konstantin Novoselov. Foto: Herbert Zimmermann

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Könnte sich ein Physiker ein Wunschmaterial ausdenken, dann hätte das vielleicht folgende Eigenschaften: Es ist härter als Diamant, rund 200-mal so stabil wie Stahl und doch biegsam und enorm leicht. Es leitet Wärme besser als jedes andere Material und Elektronen besser als Silizium. Der Stoff absorbiert Licht vieler Wellenlängen und ist doch nahezu transparent. Es bildet eine Barriere für Gase und Wasser und ist resistent gegen Chemikalien.

Dieses Wundermaterial existiert tatsächlich. Es heisst Graphen. Auf atomarer Ebene präsentiert es sich wie ein Maschendrahtzaun mit sechseckigen Maschen, an dessen Ecken Kohlenstoffatome sitzen. Eine Hängematte aus Graphen-Maschendraht könnte eine Katze tragen, und das, obwohl die Hängematte leichter wäre als ein Katzenhaar.

Wie ein Maschendrahtzaun: Graphen. Foto: iStock

1962 hat der deutsche Chemiker Hans-Peter Boehm das ultradünne Material erstmals beobachtet. Nur wusste er noch nichts von den Superlativen. Der grosse Hype begann erst 2004, als Andre Geim und Konstantin Novoselov von der Universität Manchester Graphen wiederentdeckten und dessen Eigenschaften beschrieben. 2010 erhielten die beiden Forscher dafür den Nobelpreis der Physik.

Novoselov (43) sitzt im Bistro des Verkehrshauses Luzern. Ein Stockwerk höher hielt er auf Einladung des Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) eben einen Vortrag im Rahmen des Business Day 2017. Der Forscher spielt mit dem Ladekabel seines Laptops, während er sehr bedacht und leise redet. Im Lärmteppich, der das Bistro füllt, ist seine Stimme kaum zu hören. Sein Wasserglas rührt er nicht ein einziges Mal an.

Fast so aussergewöhnlich wie das Material ist die Geschichte von dessen Entdeckung. Das Forscherteam um Andre Geim an der Universität Manchester hatte es sich zum Prinzip gemacht, nicht nur entlang der Hauptforschungsrichtungen zu arbeiten. «Immer wieder versuchten wir neue Dinge», sagt Novoselov. Einmal hatte Geim die Idee, einen speziellen Computer-Transistor zu bauen, bei dem sich Grafit als Ausgangsmaterial anbietet. Das ist der Stoff, aus dem auch Bleistiftminen sind. «Lange Zeit wussten wir nicht, wie wir das machen sollten. Dann hatte ich die Idee mit der Klebefolie.»

Selbst gebasteltes Graphen

Die Klebefolie. Selten wird ein Nobelpreis für die Entdeckung eines Materials vergeben, das jeder selbst herstellen kann. Man nehme: Bleistift, Messer, durchsichtiges Klebeband. Mit dem Messer schabe man eine Flocke von der Grafitmine und klebe sie auf die Folie. Nun biege man diese um, sodass die Grafitflocke von beiden Seiten Kontakt zum Klebstoff hat. Dann reisse man die Klebefolie auseinander. Dabei löst sich mit etwas Glück eine dünne Grafitflocke von der ursprünglichen Flocke ab. Man wiederhole das Zusammenkleben und Trennen der Klebefolie, bis man nahezu unsichtbare Grafitflocken erhält, die aus einer einatomigen Schicht Kohlenstoffatomen bestehen.

Videoanimation zu Graphen. Video: Youtube/Cambridge University

Nach weniger als einer Stunde hatte Novoselov auf diese Weise Graphen für den Transistor hergestellt. «Aber es dauerte noch ein Jahr, bis wir uns wirklich mit dem Material beschäftigten.» Niemand hatte mit der Entdeckung gerechnet. Die Arbeit von Hans-Peter Boehm aus dem Jahr 1962 war tief in den Fachbibliotheken verschwunden. «Und die Theorie besagt eigentlich, dass Graphen nicht existieren sollte», sagt Novoselov. «Auch unsere Erfahrung hat uns gesagt, dass Materieschichten, die nur ein Atom dick sind, äusserst schwierig herzustellen sein sollten. Wir waren also sehr überrascht, als wir das Material vorliegen hatten.»

«Über den Nobelpreis nachzudenken, ruiniert den Verstand.»

Die Europäische Union hält Graphen für so wichtig, dass sie 2013 ein grosses Forschungsvorhaben startete: das Graphen-Flagship-Projekt, mit einem Budget von mehr als einer Milliarde Euro. Mittlerweile gibt es erste Anwendungen. So wurden flexible Touchscreens auf Graphen-Basis entwickelt. In mancher Computerelektronik steckt Graphen. «Die spannendsten Anwendungen für Wissenschaftler liegen aber noch in der Zukunft», sagt Novoselov. «Etwa in der Gesundheitstechnologie.» So nutzen Forscher die besonderen Eigenschaften von Graphen, um zentrale Bestandteile einer künstlichen Netzhaut herzustellen. Weitere Einsatzgebiete: chemische Sensoren, Trägermaterial für Katalysatoren, mechanisch verstärkte Verbundmaterialien, Batterien und transparente Elektroden in organischen Solarzellen.

Immer noch spielt Novoselov mit dem Ladekabel. Er wurde 1974 in Nischni Tagil geboren, einer mittelgrossen russischen Industriestadt am Fusse des Ural. Seine Mutter unterrichtete Englisch, sein Vater war Ingenieur an einer grossen Fabrik vor Ort. «Eine normale, durchschnittliche Familie», sagt Novoselov. Schon früh war er an Technik interessiert. Er schraubte an Autos herum. Die Spannungsquelle seiner Eisenbahn nutzte er für Experimente zur Elektrolyse und baute Elektromagnete. Er suchte nach Rezepten für Schwarzpulver und für Metalllegierungen. In der Schule hatte er viel Glück mit den Lehrern, wie er sagt. «Die haben mich gedrängt, mehr Physik und Mathematik zu machen. Das hat mich wirklich vorangebracht.» Er nahm an Mathe-Olympiaden teil. Das half ihm letztlich, einen Platz an einer guten Universität zu kriegen.

Zunächst studierte er am renommierten Mos­cow Institute of Physics and Technology (Phystech). Das war Anfang der 90er-Jahre, nach dem Ende der Sowjetunion. «Die Ausbildung war ausgezeichnet. Aber die Lebensbedingungen waren alles andere als gut.» Der enge Kontakt mit den Studienkollegen und der Stolz, an einer sehr guten Universität zu sein, half, die Entbehrungen zu bewältigen. Bald wechselte er jedoch ans Institut für Mikroelektronik der Universität in Tschernogolowka, einer Kleinstadt nordöstlich von Moskau. Dann folgte er seinem Doktorvater Andre Geim zuerst nach Nijmegen in Holland und weiter nach Manchester.

Nobelpreis verdrängt

«Andre Geim ist einer der besten Wissenschaftler, die ich kenne», sagt Novoselov. «Er hat mir beigebracht, wie man Wissenschaft macht. Das kann man nicht unterrichten.» In dieser Zeit lernte er auch seine heutige Frau kennen, Irina Barbolina, mit der er zwei achtjährige Zwillingsmädchen hat.

In den Jahren nach 2004 gab es wiederholt Gerüchte, der Nobelpreis würde für die Entdeckung von Graphen vergeben. «Wenn man jeden Herbst daran denkt, ob man ihn nun kriegt oder nicht, dann ruiniert das den Verstand, die Persönlichkeit, das Leben», sagt Novoselov. «Daher habe ich gesagt: Ich lese nichts über den Nobelpreis, ich rede nicht darüber, ich vergesse das. 2010 hatte ich das tatsächlich nicht erwartet.» 2012 wurde er durch Königin Elizabeth II. in den Adelsstand erhoben.

Trotz des Ruhms habe er immer versucht, sein Leben zu leben. «Ich habe nicht gleich ein neues Auto gekauft, kein neues Haus. Ich gehe wie gewohnt zur Arbeit.» Auf die Frage, ob er diesen Text bei Erscheinen lesen wolle, meint er: «Nein danke. Mir ist es lieber, nichts über mich zu lesen.»

Erstellt: 09.12.2017, 09:05 Uhr

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