Aachen: RWTH-Professor Max Christian Lemme forscht am „Wundermaterial“ Graphen

Aachen : RWTH-Professor Max Christian Lemme forscht am „Wundermaterial“ Graphen

Kaum eine Entdeckung hat in den vergangenen Jahren solche Begeisterungsstürme in der wissenschaftlichen Welt ausgelöst wie Graphen. Als Wundermaterial wurde es gepriesen, das ähnlich wie Stahl oder Kunststoff die Welt revolutionieren könnte. Es gilt als das derzeit dünnste Material, ist flexibel, elektrisch leitend, fast durchsichtig und extrem stabil. Auch in Aachen wird an dem nur eine Atomlage dicken Kohlenstoffprodukt geforscht.

„Ich habe schon früh geahnt, dass sehr viel Potential in dem Material steckt“, sagt Max Christian Lemme. Der 47-Jährige ist Professor für Elektronische Bauelemente an der RWTH. Außerdem leitet er seit Februar 2017 die AMO GmbH, ein Unternehmen für angewandte Mikro- und Optoelektronik an der Schnittstelle von Industrie und Forschung. Katharina Menne sprach mit ihm über die Faszination der Entdeckung, den Moment der Ernüchterung und den optimistischen Blick in die Zukunft.

Herr Lemme, Graphen ist ein extrem junges Material, es wurde erst 2004 entdeckt. Sie haben sich schon kurz nach der Entdeckung dazu entschieden, in dem neuen Forschungsfeld mitmischen zu wollen. Was hat Sie von Beginn an so fasziniert?

Max Lemme: Nun ja, es ist das dünnste Material der Welt. Außerdem ist es trotz seiner Zugfestigkeit so flexibel, dass man beliebig geformte Oberflächen damit bedecken kann. Aus elektronischer Sicht hat mich aber vor allem die Leitfähigkeit fasziniert. Ich komme ursprünglich aus der Siliziumtechnologie und schon damals hat sich abgezeichnet, dass immer neue Materialien ausgetestet werden, um die Entwicklung voranzutreiben. Bei Graphen war ich schnell davon überzeugt, dass wir wegkommen von anfangs noch winzigen Flöckchen und dass sich daraus tatsächlich ein verarbeitbares, skalierbares Material herstellen lässt. Ich habe von Anfang an mit der Ingenieursbrille darauf geschaut und überlegt, was sich damit machen lässt.

Was denn zum Beispiel?

Lemme: Es sind flexible Displays und flexible elektronische Schaltkreise denkbar — und damit auch etwa flexible Smartphones. Kameras lassen sich mit Graphen optisch so erweitern, dass sie auch im Infrarotbereich empfindlich sind — das betrifft dann beispielsweise Nachtsichtgeräte für selbstfahrende Autos. Der gesamte Bereich der Informationsverarbeitung kann von Graphen profitieren. Es gibt sogar schon erste Nischenprodukte im Lifestyle-Bereich, in denen Graphen verarbeitet ist: Motorradhelme, die einen höheren Tragekomfort durch eine bessere Wärmeleitfähigkeit versprechen, Einlegesohlen für Schuhe — auch Skier und Tennisschläger. Wie bei jeder neuen Technologie werden weitere Anwendungsbereiche hinzukommen, von denen wir eventuell noch gar nichts wissen, weil noch niemand darauf gekommen ist.

Ende November wurde von Samsung ein neuartiger Akku mit Graphen vorgestellt, der sich angeblich in zwölf Minuten komplett aufladen lässt. Was halten Sie von solchen Meldungen?

Lemme: Meldungen von Samsung darf man schon ernst nehmen. Der Akku wird aber bestimmt nicht komplett aus Graphen sein. Vielmehr wurde irgendeine Komponente durch Graphen ersetzt und bewirkt so eine etwas bessere Speicherkapazität oder einen geringeren Ladungswiderstand als andere Akkus. Bisher lassen sich Produkte mit Graphen verbessern, aber noch nicht revolutionieren.

Graphen besteht aus Kohlenstoff-Atomen — genauso wie Graphit, das man von Bleistiftminen kennt. Was genau ist der Unterschied?

Lemme: Graphit besteht aus ganz vielen übereinander gestapelten Graphenschichten. Man kann sich das vorstellen wie einen Stapel mit Spielkarten — der Stapel ist das Graphit. Wenn ich eine Karte von oben runter nehme, dann ist das das Graphen. In der Ebene ist Graphen fest. Ich kann an der Spielkarte ziehen und sie hält der Kraft stand. Wenn ich aber gegen den Stapel schnipse, rutschen die einzelnen Karten auseinander: Die Verbindung dazwischen ist schwach. Deshalb kann ich die atomaren Schichten einzeln abheben und man spricht von einem „zweidimensionalen“ Material.

Zuletzt ist es aber eher still geworden um das „Jahrhundertmaterial“, wie es die EU mal bezeichnet hat — oder täuscht der Eindruck?

Lemme: Ich halte das für ganz normal. Man nennt das in der Technik den Hype-Zyklus. Seit der Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 ging es ganz rasant nach oben bis zum „Gipfel der überzogenen Erwartungen“. Graphen war als Wundermaterial in aller Munde. Im Jahr 2013 wurde dann das große Graphen-Flagship der EU eingerichtet und mit einer Milliarde Euro für zehn Jahre ausgestattet, um das neuartige Material zu erforschen. Doch den Gipfel des Hypes haben wir jetzt überschritten, und die Forschung geht über ins Tagesgeschäft. Hier sieht der Hype-Zyklus ein „Tal der Ernüchterung“ vor, das wir überstehen müssen, bis Produkte auf den Markt kommen. Es dauert einfach lange, bis man neue Erkenntnisse in echte Produkte umsetzen kann.

Ist Graphen das Material auf das wir alle gewartet haben?

Lemme: Ich glaube, dass Graphen von den Eigenschaften her die bestehende Technik in vielen Punkten verbessern kann. Aber mit Graphen allein rettet man nicht die Welt. Man muss das pragmatisch sehen. Einen Silizium-Prozessor wird man mit Graphen nicht ersetzen können, aber für Sensornetzwerke und das ‚Internet of things‘ könnte Graphen großes Potential haben.

Das ist ein bisschen viel Konjunktiv, oder?

Lemme: Woran es hauptsächlich hakt, ist, den Schritt von den Laboren in die Industrie zu machen. Für den Forscher ist dieser Schritt nicht mehr so spannend. Aber die Industrie wird aus Graphen nur ein Produkt machen können, wenn die Herstellung wiederholbar, bezahlbar und zuverlässig ist. Jetzt kommt die harte Arbeit — wir müssen die alltäglichen Probleme lösen, die nicht mehr zu vielen Veröffentlichungen in großen Forschungsmagazinen führen, aber die für die Umsetzung fundamental wichtig sind. Das ist die Herausforderung.

Bereits sechs Jahre nach der Entdeckung — im Jahr 2010 — wurde André Geim und Konstantin Novoselov der Nobelpreis zugesprochen. Kam die Auszeichnung zu früh?

Lemme: Für die Förderung kam der Preis genau richtig. Und ich glaube auch, dass er der Bedeutung der Entdeckung gerecht wird: Es hat sich in der Zwischenzeit unglaublich viel getan. Graphen ist nur das erste zweidimensionale Material — da kommt jetzt ganz viel hinterher. Wir haben gerade mit Kollegen von der RWTH und der AMO zusammen das „Aachen Graphene and 2D Materials Center“ gegründet. Das wird noch richtig spannend. Es gibt andere zweidimensionale Materialien, die zum Beispiel zum Leuchten gebracht werden können. Sensoren aus diesen Materialien sind empfindlicher als alles, was wir bisher kannten. Wenn das Realität wird, dann wird die Welt irgendwann anders aussehen.

Als wie erfolgreich würden sie die bisherigen Anstrengungen des EU-Flagships beschreiben? Konnte das Förderprojekt das Thema Graphen nach vorne bringen?

Lemme: Auf jeden Fall. Man sieht jetzt schon, nach vier Jahren, einen Übergang von der Grundlagenforschung hin zur Anwendung. Das oberste Ziel ist natürlich, mit europäischem Geld auch in Europa eine europäische Produktion aufzubauen. Beim Mobile World Congress in Barcelona hat das Flagship bereits viel Interesse geweckt. Wir sind auch in diesem Jahr mit Aachener Beiträgen wieder dort und zeigen, wie man mit Graphen die Datenübertragungsraten oder die Verschaltung von Sensornetzwerken verbessern kann.

Aber um es wirklich zum Erfolg zu bringen, muss man es irgendwann in einem Massenprodukt verarbeiten. Und auf diesem steinigen Weg muss das Motto ganz klar sein: „Never give up“. Das ist das Wichtigste als Forscher: Es gibt immer Rückschläge und man muss trotzdem dranbleiben. Irgendwann klappt es dann.

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