Veröffentlicht: 28.01.13
Science

Forschen, wie sich Graphen im Kleinen verhält

Die ETH Zürich ist über Klaus Ensslin, Professor für Experimentalphysik, am «Graphene Flagship»-Projekt beteiligt. ETH Life sprach mit ihm über die Vorzüge von Graphen und über seine persönliche Vision des Wundermaterials.

Interview: Fabio Bergamin
Klaus Ensslin, Professor für Experimentalphysik, beteiligt sich mit seiner Gruppe am «Graphene Flagship»-Projekt. (Bild: Heidi Hostettler / ETH Zürich)
Klaus Ensslin, Professor für Experimentalphysik, beteiligt sich mit seiner Gruppe am «Graphene Flagship»-Projekt. (Bild: Heidi Hostettler / ETH Zürich) (Grossbild)

Herr Ensslin, die Europäische Kommission hat die Erforschung von Graphen zu einem ihrer zwei Flaggschiffprojekte erkoren. Was macht das Material so speziell, dass ihm ein Forschungsgrossprojekt gewidmet wird?
Graphen ist einzigartig. Es ist ein dünnes Material, eine Art Film, und besteht aus einer einzigen atomaren Schicht Kohlenstoff. Es ist das leitfähigste Material, das heute bekannt ist. Zugleich ist es transparent, härter als Diamant, und es vereint scheinbar widersprüchliche Eigenschaften wie maximale Elastizität und maximale Reissfestigkeit. Zudem ist es vergleichsweise kostengünstig in der Herstellung. Graphen gilt als wahres Wundermaterial mit einem riesigen Potenzial, auch für wirtschaftliche Anwendungen.

Was sind mögliche Anwendungen?
Schon in diesem oder im nächsten Jahr wird es auf dem Markt Smartphones geben, deren Touchscreens statt auf Indiumzinnoxid auf Graphen basieren. Indium ist giftig und die Vorräte gehen bald zur Neige. Graphen kann als Touchscreen eingesetzt werden, weil es zugleich leitfähig und transparent ist. Diese Anwendung ist in der Entwicklung sehr weit fortgeschritten. Weitere mögliche zukünftige Anwendungen sind Leiterbahnen auf Computerchips, Graphen als Werkstoff für Batterien und Solarzellen oder als Leichtbaumaterial für Flugzeuge. Die Liste potenzieller Anwendungen ist lang und geht über die Ingenieurwissenschaften hinaus bis in die Biologie. Mit dem Flagschiff-Projekt geht es der EU letztlich darum, die europäische Wirtschaft bei der Umsetzung von Graphen-Technologien in eine führende Rolle zu bringen.

Wo liegt Forschungsbedarf?
Nicht nur die industrielle Forschung und die Materialwissenschaften beschäftigen sich heute mit Graphen. Es gilt auch, physikalische Grundlagen oder neue Synthesewege zu erarbeiten, sich mit Umwelt- und Gesundheitsaspekten zu befassen oder neue Anwendungen für die Elektronik zu finden. Das Flagschiff-Projekt hat 11 Teilprojekte, die all dies abdecken.

«Leading house» des Flagschiff-Projekts ist die schwedische Hochschule Chalmers. Dort wird heute Abend gefeiert, nehme ich an. Sie sind ja auch am Projekt beteiligt. Wie gross ist die Freude bei Ihnen?
Ich freue mich natürlich auch, keine Frage. Wir haben schon mit vielen europäischen Kollegen «per E-Mail angestossen».

Was wird Ihr Anteil sein am Projekt?
Unsere Gruppe arbeitet in dem Teilprojekt mit, bei dem es um die physikalischen Grundlagen geht. Wir interessieren uns dafür, wie sich das Material im Kleinen verhält, auf der Nanometer-Skala und unter Berücksichtigung der Quantenphysik, die in diesem Massstab zum Tragen kommt. Das Ziel unserer Forschung ist letztlich, mit Graphen neuartige Systeme zu entwickeln – sogenannte Quantensysteme – mit noch nie dagewesenen Eigenschaften. Wohin die Reise geht und welche konkreten Anwendungen dereinst aus dieser Forschung resultieren werden, ist offen. Wir betreiben Grundlagenforschung. Es geht zunächst darum, die physikalischen und quantenphysikalischen Eigenschaften dieser Quantensysteme zu verstehen.

Können Sie ein Beispiel geben?
Wir wollen beispielsweise kleine Inseln von Graphen auf verschiedenen Substraten herstellen. Graphen hat eine Wabenstruktur, wobei die Ränder dieser Struktur unterschiedlich beschaffen sein können. Wir werden versuchen, die Ränder gezielt zu manipulieren, und anschliessend die elektronischen Effekte untersuchen, die durch diese Ränder hervorgerufen werden. Dazu braucht es sehr empfindliche Messtechniken, die wir in unserer Gruppe entwickelt haben.

Wann wird das Flagschiff-Projekt beginnen?
Vieles ist noch unklar. Bis das Geld der EU in den einzelnen Forschungsgruppen ankommt, müssen unter anderem noch die Kriterien erarbeitet werden, nach denen das Geld unter den Projektpartnern verteilt wird. Nach meinem Wissen sind diese Kriterien noch nicht abschliessend definiert.

Wie werden Sie das Geld einsetzen, wenn es dann fliesst?
Wie bei den meisten Forschungsprojekten wird der grösste Teil des Geldes für Personalkosten eingesetzt werden. Konkret werden wir unser bereits existierendes Graphen-Team an der ETH Zürich um einige zusätzliche Mitarbeiter vergrössern können.

Und wann ist mit den ersten Resultaten des Projekts zu rechnen?
Es kommt darauf an, was Sie mit Resultaten meinen. Die Graphen-Community ist schon jetzt unglaublich aktiv. In den letzten Jahren ist die Zahl der Ergebnisse und wissenschaftlichen Publikationen auf diesem Gebiet förmlich explodiert.

Was ist Ihr persönlicher Traum, wenn Sie an die Zukunft der Graphen-Forschung denken?
Unser Ziel ist es, einen Graphen-Quantenpunkt zu entwickeln, der ein Elektron enthält mit einem Spin, der lange stabil bleibt. Ein Quantenpunkt ist ein künstlich gebautes System, das sich im Wesentlichen wie ein Atom verhält. Es könnte die Einheit für einen zukünftigen Quantencomputer sein. Es gibt theoretische Vorhersagen, dass Spins in Kohlenstoff-basierten Strukturen wesentlich stabiler sein sollten, als in den meisten Halbleiterumgebungen.

Zur Person

Klaus Ensslin (52) ist Professor für Experimentalphysik an der ETH Zürich. Er ist im Schnittbereich der Quantenphysik und der klassischen Physik tätig und interessiert sich insbesondere für Halbleitersysteme und Quantenstrukuren. Dabei arbeitet er an der Entwicklung neuer Materialien und ihrer Optimierung, insbesondere ihrer Reinheit. Quantenstrukturen sind Strukturen, die sich ähnlich verhalten wie einzelne Atome, einzelne Photonen oder einzelne Ionen.

Ensslin ist ausserdem Direktor des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantum Science and Technology (NFS QSIT). In einem Teilprojekt dieses Forschungsverbunds arbeiten mehrere Gruppen von der ETH Zürich sowie den Universitäten Basel und Genf an Graphen-basierten Quantenstrukturen.

 
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