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Graphen gewinnt Nobelpreis
Der 2010 Nobelpreis für Physik wurde den beiden Forschern verliehen, die die ersten Experimente mit Graphen, einer zweidimensionalen Schicht aus Kohlenstoffatomen, durchgeführt haben. Der Preis wird Physikern der University of Manchester verliehen André Geim und Konstantin Novoselov , würdigt Arbeiten, die vor weniger als einem Jahrzehnt an einem Material begannen, das seitdem zur Herstellung rekordverdächtiger Transistoren und dehnbarer Elektroden verwendet wird.
Preisträger: Der Nobelpreis für Physik ging dieses Jahr an britische Forscher, die Pionierarbeit bei der Erforschung von Graphen geleistet haben. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt eine zerknitterte Graphenschicht des einatomigen dicken Materials.
Graphen ist ein Material mit vielen Superlativen: Es ist der beste Stromleiter bei Raumtemperatur und das stärkste Material, das jemals getestet wurde. Es ist auch ein ausgezeichneter Wärmeleiter und ist transparent und flexibel. Vor der Arbeit von Geim und Novoselov hatten Forscher die Existenz des Materials theoretisiert und vorhergesagt, dass es verwendet werden könnte, um Transistoren mehr als 100-mal schneller herzustellen als die in heutigen Chips auf Siliziumbasis. Aber bis die britischen Forscher im Jahr 2004 Graphen herstellten und testeten, vermuteten viele Physiker, dass Materialien mit einer Dicke von einem Atom instabil sein würden.
Im Jahr 2004 stellten Geim und Novoselov im Labor Graphen her, indem sie ein Stück Graphit mit Klebeband in immer dünnere Blätter schälen, wie in diesem Video . Ein Graphenblatt ist eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die in ein wabenartiges, sich wiederholendes Sechseckmuster eingebettet sind.
Graphen ist ein natürlich vorkommendes Material. Graphenschichten bilden den Graphit, der in Bleistiftminen enthalten ist. Wenn Sie einen Bleistift auf ein Blatt Papier zeichnen, werden diese Schichten gespalten und es bleiben dünne Schichten dieser Kohlenstoffplatten zurück. Durch das Zerkleinern von Graphit und das Abschälen mit Klebeband in immer dünnere Flocken und schließlich in nur ein Atom dicke Stücke konnten Geim und Novoselov brauchbare Mengen an Graphen herstellen, die untersucht werden konnten, und Zweifel an der Stabilität von Graphen ausräumen.
Multimedia
Kostya Novoselov demonstriert seine Low-Tech-Technik zur Herstellung von Graphen.
In ihrer ersten Arbeit im Jahr 2004 demonstrierten sie nicht nur, dass sie Graphen hergestellt hatten, sondern klärten auch seine elektrischen Eigenschaften auf, indem sie es strukturierten und mit Elektroden verbanden. Sie waren nicht die ersten, die Graphen gesehen haben, aber es waren sicherlich Geim und Novoselov, die wirklich die Tür geöffnet haben, um es studieren zu können, sagt James Tour , Professor für Chemie an der Rice University.
Nachdem sie dieses experimentelle System zum Studium des Materials entwickelt hatten, fanden Geim und Novoselov sowie andere Forscher, die ihr folgten, einige bemerkenswerte Dinge. Erstens verhalten sich Elektronen in Graphen so, als ob sie keine Masse hätten, und rasen mit Geschwindigkeiten von einer Million Meter pro Sekunde vorwärts. (Vergleichen Sie das mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, 300 Millionen Meter pro Sekunde.) Und während Elektronen normalerweise von Hindernissen in einem leitfähigen Material abprallen, haben Elektronen, die sich durch das perfekte Wabengitter aus Graphen bewegen, ein reibungsloses Segeln.
Die perfekte Struktur von Graphen führt zu exotischen Quanteneffekten, die von Physikern untersucht werden. Die elektrischen Eigenschaften des Materials, seine Transparenz und seine Festigkeit wurden jedoch von Ingenieuren aufgegriffen, die daran arbeiteten, von Touchscreens über Solarzellen bis hin zu leichten Strukturmaterialien alles herzustellen. Forscher bei IBM entwickeln Arrays von Graphen-Transistoren, die herkömmliches Silizium im Staub lassen, und eine Gruppe bei Samsung entwickelt gedruckte Graphen-Elektroden für den Einsatz in transparenten, flexiblen Touchscreens.
In Anerkennung des Versprechens des Materials, KINDER präsentierte 2008 Arbeiten an der Georgia Tech über Graphentransistoren als eine der vielversprechendsten neuen Technologien; Im selben Jahr haben wir Novoselov mit unserem Young Innovator Award, dem TR35, ausgezeichnet.
Die Technik von Geim und Novoselov kann verwendet werden, um Graphen in relativ kleinen Mengen herzustellen, genug, um es im Labor zu untersuchen und Testgeräte herzustellen, aber bei weitem nicht genug für die Herstellung. In der Zwischenzeit haben Forscher Methoden entwickelt, um größere Mengen des Materials herzustellen, und jetzt lernen sie, wie man es für die Herstellung von Geräten verwendet.
Jetzt müssen wir Wege finden, Graphen im großen Maßstab zuverlässig zu synthetisieren und diese Technologien wirtschaftlich sinnvoll reproduzierbar zu machen, sagt Phaedon Avouris, ein Forscher, der Graphentransistoren und Photodetektoren am Watson Research Center von IBM in Yorktown Heights, New York, entwickelt. .