Material-Frage Ein Atom dick, Graphen ist das dünnste Material bekannt und kann die stärkste sein. Credit Illustration von Chad Hagen Bis Andre Geim, ein Physikprofessor an der University of Manchester, entdeckte ein ungewöhnliches neues Material namens Graphen, war er am besten für ein Experiment, in dem er Elektromagneten verwendet, um einen Frosch zu schweben. Geim, geboren 1958 in der Sowjetunion, ist ein brillanter akademicas ein Gymnasiast, er gewann einen Wettbewerb durch das Auswendiglernen eines tausend-Seite-Chemie-Wörterbuches aber er hat auch einen Streifen von unorthodoxen Humor. Er veröffentlichte das Froschexperiment in der European Journal of Physics. Unter dem Titel "Fliegende Frösche und Levitrons", und im Jahr 2000 gewann er den Ig-Nobelpreis, eine jährliche Auszeichnung für das dümmste Experiment. Kollegen drängten Geim, um die Ehre unten zu machen, aber er lehnte ab. Er sah die Froschlevitation als einen integralen Teil seines Stils, eine Akzeptanz des seitlichen Denkens, die zu wichtigen Entdeckungen führen konnte. Bald darauf begann er seine Freitags-Sessions für seine Studenten zu veranstalten: Freiformen, Experimente am Ende der Woche, manchmal angeheizt von einigen Bieren. Die Freitag-Sitzungen beziehen sich auf etwas, das Sie nicht bezahlt haben und nicht während Ihres Berufslebens tun sollten, erzählte Geim mir vor kurzem. Neugierige Forschung. Etwas zufällig, einfach, vielleicht ein bisschen weirdeven lächerlich. Er fügte hinzu: Ohne sie gibt es keine Entdeckungen. An einem solchen Abend, im Herbst 2002, dachte Geim an Kohlenstoff. Er spezialisiert sich auf mikroskopisch dünne Materialien, und er fragte sich, wie sehr dünne Schichten von Kohlenstoff unter bestimmten experimentellen Bedingungen verhalten könnten. Graphit, der aus Stapeln von Atom-dicken Kohlenstoff-Schichten besteht, war ein offensichtliches Material zu arbeiten, aber die Standardverfahren zur Isolierung von Superthinproben würden das Material überhitzen und es zerstören. So hatte Geim einen neuen Doktortitel eingestellt. Studenten, Da Jiang, die Aufgabe der Versuch, eine so dünne Probe wie möglich vielleicht ein paar hundert Atomschichten durch Polieren ein 1-Zoll-Graphit-Kristall zu erhalten. Einige Wochen später lieferte Jiang einen Speck aus Kohlenstoff in einer Petrischale. Nachdem er sie unter dem Mikroskop betrachtet hatte, rief er zurück, er bat ihn, es erneut zu versuchen. Jiang gab zu, dass dies alles sei, was vom Kristall übrig geblieben sei. Als Geim ihn hartnäckig mahnte (Sie polierten einen Berg, um ein Sandkorn zu holen), blickte einer seiner älteren Kerle auf eine Kugel von gebrauchtem Schottenband im Papierkorb, dessen klebrige Seite mit einem grauen, leicht glänzenden Film aus Graphitresten bedeckt war. Es wäre ein bekannter Anblick in Labors auf der ganzen Welt, wo Forscher routinemäßig Klebeband verwenden, um die Klebeigenschaften von experimentellen Proben zu testen. Die Kohlenstoffschichten, aus denen sich Graphit zusammensetzt, sind schwach gebunden (daher 1564 für Bleistifte, die eine sichtbare Spur hinterlassen, wenn sie über Papier gezogen werden), so daß das Band leicht flockiert. Geim legte ein Stück des Bandes unter das Mikroskop und entdeckte, dass die Graphitschichten dünner waren als alle anderen, die man gesehen hatte. Durch Falten des Bandes, Zusammenpressen und Herausziehen des Rückstands konnte er die Flocken auf noch dünnere Schichten schälen. Geim hatte das erste zweidimensionale Material, das jemals entdeckt wurde, isoliert: eine Atomdickschicht aus Kohlenstoff, die unter einem Atommikroskop als flaches Gitter aus Sechsecken in einem Wabenmuster auftrat. Theoretische Physiker hatten über eine solche Substanz spekuliert, die sie Graphen nannte, aber angenommen hatte, daß eine einzige Atomschicht bei Raumtemperatur nicht erhalten werden konnte, die sie in mikroskopische Kugeln auseinander ziehen würde. Stattdessen sah Geim, Graphen blieb in einer einzigen Ebene, die Entwicklung von Wellen, wie das Material stabilisiert. Geim die Hilfe eines Ph. D. Student namens Konstantin Novoselov, und sie begann die Arbeit vierzehn Stunden Tage Graphen studieren. In den nächsten zwei Jahren entwarfen sie eine Reihe von Experimenten, die überraschende Eigenschaften des Materials enthüllten. Wegen seiner einzigartigen Struktur konnten Elektronen über das Gitter ungehindert durch andere Schichten fließen und bewegten sich mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit und Freiheit. Es kann tausendmal mehr Strom als Kupfer tragen. In dem, was Geim später das erste Eureka-Moment nannte, zeigten sie, dass Graphen einen ausgeprägten Feldeffekt hatte, die Reaktion, die einige Materialien zeigen, wenn sie sich in der Nähe eines elektrischen Feldes befinden, wodurch Wissenschaftler die Leitfähigkeit steuern können. Ein Feldeffekt ist eine der definierenden Eigenschaften von Silizium, das in Computerchips verwendet wird und schlug vor, dass Graphen als Ersatz für etwas dienen könnte, das Computerhersteller seit Jahren gesucht hatten. Geim und Novoselov schrieben ein dreiseitiges Papier, in dem sie ihre Entdeckungen beschreiben. Es wurde zweimal von der Natur verworfen. Wo ein Leser stellte fest, dass die Isolierung eines stabilen, zweidimensionalen Materials unmöglich war, und ein anderer sagte, dass es nicht einen ausreichenden wissenschaftlichen Fortschritt. Aber, im Oktober 2004, wurde die Zeitung, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, veröffentlicht in Science. Und es erstaunte Wissenschaftler. Es war, als sei Science-Fiction Wirklichkeit geworden, sagte mir Youngjoon Gil, der Exekutivvizepräsident des Samsung Advanced Institute of Technology. Labors auf der ganzen Welt begann Studien mit Geims Scotch-Band-Technik, und Forscher identifiziert andere Eigenschaften von Graphen. Obwohl es das dünnste Material im bekannten Universum war, war es hundert - und fünfzigmal stärker als ein Äquivalentgewicht aus Stahl, das stärkste Material, das jemals gemessen wurde. Es war ebenso biegsam wie Gummi und konnte bis zu hundertzwanzig Prozent seiner Länge ausdehnen. Die Forschung von Philip Kim, damals an der Columbia University, stellte fest, dass Graphen noch elektrisch leitfähiger war als zuvor gezeigt. Kim suspendierte Graphen im Vakuum, wo kein anderes Material die Bewegung seiner subatomaren Teilchen verlangsamen konnte, und zeigte, daß es eine Beweglichkeit der Geschwindigkeit hatte, bei der eine elektrische Ladung über einen Halbleiter von bis zu zweihundert - und fünfzigfachem des Siliciums fließt. Im Jahr 2010, sechs Jahre nach der Veröffentlichung von Geim und Novoselov, erhielten sie den Nobelpreis für Physik. Bis dahin nannten die Medien Graphen als Wundermaterial, eine Substanz, die, wie der Guardian sagte, die Welt verändern könnte. Akademische Forscher in Physik, Elektrotechnik, Medizin, Chemie und anderen Bereichen beflockten Graphen, wie auch Wissenschaftler bei Top-Elektronikunternehmen. Das britische Amt für geistiges Eigentum hat vor kurzem einen Bericht veröffentlicht, in dem die weltweite Verbreitung von Graphen-Patenten beschrieben wird, von 3.018 im Jahr 2011 auf 8.416 zu Beginn des Jahres 2013. Die Patente deuten auf eine breite Palette von Anwendungen hin: Ultra-langlebige Batterien, biegbare Computerbildschirme , Entsalzung von Wasser, verbesserte Solarzellen, superschnelle Mikrocomputer. Am Geim und Novoselovs akademischem Zuhause, der Universität von Manchester, investierte die britische Regierung sechzig Millionen Dollar, um das National Graphene Institute zu schaffen, um das Vereinigte Königreich mit den weltbesten Patentinhabern konkurrenzfähig zu machen: Korea, China und die Vereinigten Staaten , Die alle in das Rennen eingetreten sind, um die erste Welt verändernde Verwendung für Graphen zu finden. Der Fortschritt einer Technologie vom Moment der Entdeckung zum transformativen Produkt ist langsam und schlängeln den Konsens unter den Wissenschaftlern, dass es Jahrzehnte dauert, auch wenn es gut geht. Paul Lauterbur und Peter Mansfield teilten einen Nobelpreis für die Entwicklung der MRT, im Jahr 1973 fast dreißig Jahre nach Wissenschaftler ersten verstanden die physikalische Reaktion, die die Maschine zu arbeiten erlaubt. Mehr als ein Jahrhundert verging zwischen dem Zeitpunkt, als der schwedische Chemiker Jns Jakob Berzelius im Jahr 1824 Silizium reinigte, und die Geburt der Halbleiterindustrie. Neue Entdeckungen haben enorme Herausforderungen auf dem Markt. Sie müssen auffällig billiger oder besser sein als Produkte, die bereits zum Verkauf angeboten werden, und sie müssen förderlich für die Herstellung im kommerziellen Maßstab sein. Wenn ein Material, wie Graphen, als serendipitous Entdeckung, ohne gezielte Anwendung kommt, gibt es eine andere Schranke: die Grenzen der Phantasie. Jetzt, wo wir das Zeug haben, was wir damit machen, Aluminium, das in den achtzehn-zwanziger Jahren in einem Labor entdeckt wurde, wurde als Wundermaterial angesehen, mit Eigenschaften, die nie zuvor in einem Metall gesehen wurden. Es war leicht, glänzend, Beständig gegen Rost und hochleitfähig. Es konnte von Lehm abgeleitet werden (zuerst wurde es Silber aus Ton genannt), und der Gedanke, dass eine wertvolle Substanz aus einem gemeinsamen produziert wurde, verlieh ihm eine Qualität der Alchemie. In den achtzehn-fünfziger Jahren entwarf ein französischer Chemiker eine Methode, um ein paar Gramm zu einem Zeitpunkt zu machen, und Aluminium wurde schnell für den Einsatz in teuren Schmuck angenommen. Drei Jahrzehnte später, ein neues Verfahren, mit Strom, erlaubte die industrielle Produktion, und der Preis sank. Die Leute sagten, Wow Weve habe dieses Silber aus Ton gewonnen, und jetzt ist es wirklich billig und wir können es für alles verwenden, sagte Robert Friedel, ein Historiker der Technologie an der University of Maryland, mir. Aber die Begeisterung bald abgekühlt: Sie könnten nicht herausfinden, was für sie zu verwenden. Im Jahr 1900, die Sears und Roebuck Katalog beworben Aluminium Töpfe und Pfannen, Friedel Notizen, aber Sie können nicht finden, was von wed rufen technischen Anwendungen. Erst nach dem Ersten Weltkrieg fand Aluminium seinen transformativen Nutzen. Die Killer-App ist das Flugzeug, das gar nicht existiert, wenn sie alle gung ho und gaga über dieses Zeug gingen. Einige hochgepriesene Entdeckungen fizzle zusammen. 1986 entdeckten die I. B.M.-Forscher Georg Bednorz und K. Alex Mller Keramiken, die als radikal praktischere Supraleiter fungierten. Im nächsten Jahr gewannen sie eine Nobel, und eine enorme Welle des Optimismus folgte. Präsidenten-Kommissionen wurden zusammen geworfen, um zu versuchen, die U. S heraus in die Leitung zu setzen, Cyrus Mody, ein Geschichts-von-Wissenschaft Professor an der Rice-Universität, in Houston, sagt. Die Leute sprachen über schwimmende Züge und unendliche Übertragungsleitungen innerhalb der nächsten paar Jahre. Aber in drei Jahrzehnten des Kampfes ist es fast niemandem gelungen, die spröde Keramik zu einer Substanz zu machen, die den Alltagsgebrauch überleben kann. Friedel bot ein breites Axiom an: Je innovativer die breitere Form der Innovation ist, desto weniger wahrscheinlich sind wir, um herauszufinden, was es wirklich verwendet werden soll. Bis jetzt sind die einzigen Verbraucherprodukte, die Graphen enthalten, Tennisschläger und - tinte. Aber viele Wissenschaftler bestehen darauf, dass seine ungewöhnlichen Eigenschaften schließlich zu einem Durchbruch führen. Laut Geim hat der Zustrom von Geld und Forschern die übliche Zeitlinie zur praktischen Nutzung beschleunigt. Wir begannen mit Submikronflocken, die auch im optischen Mikroskop kaum zu sehen waren, sagt er. Ich habe nie gedacht, dass bis 2009, 2010, Menschen bereits machen würde Quadratmetern dieses Materials. Seine extrem schnellen Fortschritt. Er fügt hinzu, Sobald jemand sieht, dass es eine Goldmine, dann sehr schwere Ausrüstung beginnt aus vielen verschiedenen Forschungsgebieten angewendet werden. Wenn Leute denken, sind wir sehr erfinderische Tiere. Samsung, der in Korea ansässige Elektronikriese, hält die meisten Patente in Graphen, doch in den letzten Jahren waren Forschungsinstitute, nicht Unternehmen, am aktivsten. Eine koreanische Universität, die mit Samsung arbeitet, steht an erster Stelle unter akademischen Institutionen. Zwei chinesische Universitäten halten den zweiten und dritten Platz. Auf dem vierten Platz ist die Rice University, die in den vergangenen zwei Jahren dreiunddreißig Patente eingereicht hatte, fast alle aus einem Labor, das von einem Professor namens James Tour geleitet wurde. Tour, fünfundfünfzig, ist ein synthetischer organischer Chemiker, aber seine expansive Persönlichkeit und unternehmerischer brio bilden ihn scheinen mehr wie ein Vorstand, der eine companys rentable R. Ampere Division. Ein kurzer, dunkeläugiger Mann mit einem gym-gepumpt Körper, begrüßte er mich wütend, als ich ihn vor kurzem in seinem Büro, in der Dell Butcher Gebäude bei Rice besuchte. Ich meine, das Zeug ist einfach erstaunlich, sagte er über Graphen. Sie können nicht glauben, was dieses Zeug tun kann Tour, wie die meisten leitenden Wissenschaftler müssen sich mit Forschung und Handel beschäftigen. Er hat zweimal erschienen vor dem Kongress zu warnen, über föderalen Budgetkürzungen für die Wissenschaft, und sagt, dass sein Labor gelungen, gedeihen nur, weil er Finanzierung durch aggressive Partnerschaften mit der Industrie gesichert hat. Er lädt jedes Geschäft, das er mit zweihundertfünfzigtausend Dollar pro Jahr verteilt, in seinem Labornetze ein wenig mehr als die Hälfte, mit dem er zwei Studentenforscher einstellen und für ihre Materialien für ein Jahr bezahlen kann. Viele der Touren Arbeit beinhaltet die Kreativität der Forscher (fünfundzwanzig von denen gewidmet sind, Graphen) theyre diejenigen, die die Erfindungen, die Tour verkauft zu entwickeln. Graphen war ein Segen, sagte er: Sie haben eine Menge Leute in diesem Bereich. Nicht nur Akademiker, sondern auch Firmen in großer Zahl, von den großen Elektronikunternehmen, wie Samsung, bis hin zu Ölfirmen. Tour bringt eine besondere Energie zum Ziel. Er wurde in einem säkularen jüdischen Haus in White Plains aufgewachsen und wurde ein Neuling als Neuling an der Syracuse University. Verheiratet, mit vier erwachsenen Kindern, erhebt er sich jeden Morgen um drei Uhr vierundvierzig Stunden, um ein anderthalb Stunden Gebet und Bibelstudium, mehrmals in der Woche, mit Workouts im Gymnasium zu beginnen. Im Jahr 2001, machte er Schlagzeilen durch die Unterzeichnung eines wissenschaftlichen Dissens aus Darwinismus, eine Petition, die intelligentes Design gefördert, aber er beharrt, dass dies nur seine persönlichen Zweifel darüber, wie zufällige Mutation tritt auf molekularer Ebene. Obwohl er E-Mails mit Gottes Segen beendet, sagt er, dass er, abgesehen von einer Gewohnheit, für göttliche Führung zu beten, fühle, dass Religion in seiner wissenschaftlichen Arbeit keine Rolle spielt. Tour unterstützt eine Scattershot-Ansatz für seine Studenten Forschung. Wir arbeiten an allem, was zu unserer Phantasie passt, solange es für die Zäune schwingt, sagte er. Als Chemiker, so bemerkte er, sind sie besonders geeignet für schnelle Experimente, von denen viele in einer Angelegenheit von Stunden zu experimentieren, wie Physiker, deren Experimente Monate dauern können. Sein Labor hat hundert und einunddreißig Zeitschriftenartikel auf Graphenesecond nur zu einem Labor an der Universität von Texas bei Austinand veröffentlicht und seine Forscher bewegen sich schnell, um vorläufige Anwendungen mit dem US-Patent und dem Warenzeichen-Büro zu archivieren, die ihnen rechtliches Eigentum einer Idee für geben Ein Jahr, bevor sie einen vollständigen Anspruch geltend machen müssen. Wir warten nicht sehr lange, bevor wir Akte, sagte Tour, dass er Studenten drängt, ihre Arbeit in weniger als achtundvierzig Stunden aufzuschreiben. Ich wurde gerade von einer Firma erzählt, die eine unserer Technologien lizenziert hat, dass wir die Chinesen um fünf Tage schlugen. Viele seiner Labore kürzlich Erfindungen sind für die sofortige Ausbeutung von der Industrie, die Bereitstellung von Mitteln zur Unterstützung ehrgeiziger Arbeit konzipiert. Tour hat Patente für eine mit Graphen infundierte Farbe verkauft, deren Leitfähigkeit die Entfernung von Eis von Helikopterblättern, Flüssigkeiten zur Steigerung der Effizienz von Ölbohrern und Graphen-basierten Materialien zur Herstellung der aufblasbaren Objektträger und Rettungsflöße in Flugzeugen erleichtern könnte. Er weist darauf hin, dass Graphen die einzige Substanz auf der Erde ist, die vollständig undurchdringlich für Gas ist, aber es wiegt fast nichts leichtere Flöße und Rutschen konnte die Airline-Industrie sparen Millionen von Dollar im Wert von Kraftstoff pro Jahr. Im Labor von Tours, einem großen, hohen Raum mit fest gestalteten Arbeitstischreihen, arbeiteten junge Männer in weißen Laborkitteln und Schutzbrillen. Tour und ich hielt an einer Bank, wo Loc Samuels, ein Student aus Antigua, machte eine Charge von Graphen-Gel, um in einem Gerüst für Rückenmarksverletzungen verwendet werden. Anstatt nur ein nicht funktionales Gerüstmaterial zu haben, haben Sie etwas, das eigentlich elektrisch leitfähig ist, sagte Samuels, als er ein Reagenzglas in einem Juwelierbad wirbelte. Das hilft den Nervenzellen, die miteinander kommunizieren, verbinden sich miteinander. Tour zeigte mir Videos von Laborratten, deren Hinterbeine gelähmt waren. In einem Video zogen sich zwei Ratten entlang der Unterseite eines Käfigs und schleppten ihre Hinterbeine. In einem anderen Video von Ratten, die behandelt wurden, gingen sie normal. Tour gewarnt, dass es Jahre dauert, bevor die F. D.A. Genehmigt menschliche Prüfungen. Aber es ist ein unglaublicher Anfang, sagte er. Im Jahr 2010 schlug einer der Tours-Forscher Alexander Slesarev, ein Russe, der an der Moskauer Staatlichen Universität studiert hatte, vor, dass Graphenoxid, eine Form von Graphen, die entsteht, wenn Sauerstoff - und Wasserstoffmoleküle daran gebunden sind, radioaktives Material anziehen könnte. Slesarev schickte eine Probe an einen ehemaligen Kollegen im Moskauer Staat, wo die Schüler das Pulver in nuklearmaterialhaltige Lösungen legten. Sie entdeckten, dass das Graphenoxid mit den radioaktiven Elementen bindet und einen Schlamm bildet, der leicht weggeschöpft werden könnte. Nicht lange danach verursachte das Erdbeben und der Tsunami in Japan eine verheerende Verschwendung von nuklearem Material, und Tour flog nach Japan, um die Technologie auf die Japaner zu bringen. Wurden es jetzt in Fukushima entfalten, sagte er mir. An einer der Bänken arbeitete ein junger Mann mit einem runden, offenen Gesicht: ein fünfundzwanzigjähriger Doktorand. Student namens Ruquan Ye, der im vergangenen Jahr einen neuen Weg zur Herstellung von Quantenpunkten, hochfluoreszierenden Nanopartikeln, die in der medizinischen Bildgebung und in Plasmabildschirmen verwendet werden, entwickelt hat. Gewöhnlich in winzigen Mengen aus toxischen Chemikalien, wie Cadmium-Selenid und Indium-Arsenid, Quantenpunkte kosten eine Million Dollar für eine ein Kilogramm-Flasche. Ja Technik nutzt Graphen aus Kohle, die hundert Dollar pro Tonne ist abgeleitet. Die Methode ist einfach, Ye sagte mir. Er zeigte mir ein Fläschchen, das mit einem feinen schwarzen Pulver gefüllt war: anthrazit Kohle, die er gemahlen hatte. Ich lege dieses in eine Lösung von Säuren für einen Tag, dann erhitze die Lösung auf einer heißen Platte. Durch die Optimierung des Prozesses, kann er das Material emittieren verschiedene Lichtfrequenzen, wodurch Punkte von verschiedenen Farben für die differenzierte Markierung von Tumoren. Die Kohle-basierte Punkte sind kompatibel mit der menschlichen Körperkohle ist Kohlenstoff, und so sind wewhich darauf hindeutet, dass Ja Punkte können die hochgiftigen, die in Krankenhäusern weltweit verwendet werden. In einem abgedunkelten Raum neben dem Labor, leuchtete er ein schwarzes Licht auf mehrere kleine Fläschchen mit klarer Flüssigkeit. Sie fluoreszierten in glühende Blöcke: rot, blau, gelb, violett. Tour verlässt sich in der Regel für die Entdeckungen in seinem Labor. Seine alle Studenten, sagte er. Sie sind in diesem Alter, ihre Zwanziger, wenn die Synapsen gerade feuern. Mein Job ist, sie zu begeistern und eine Kreditkarte zur Verfügung zu stellen und sie weg von den Kaninchenlöchern zu führen. Aber er erkannte, dass die Quanten-Dot-Idee mit ihm entstand: Eines Tages sagte ich: Wir müssen herausfinden, was in Kohle ist. Die Menschen nutzen das seit fünftausend Jahren. Lets sehen, was ist wirklich drin. Ich wette, seine kleinen Domänen von grapheneand, sicher genug, es war. Es saß gerade dort. Eine Fünfundzwanzig-Prozent-Ausbeute. Und, erinnern Sie sich, seine eine Million Dollar ein Kilogramm Tour wandte sich an seinen Labor-Manager, Paul Cherukuri, und sagte, Wäre gegangen, um eines Tages reicher, arent wir Als Cherukuri lachte, fügte Tour hinzu, Im werde hier hereinkommen und zählen Geld jeden Tag . Die vielleicht am meisten verlockende Eigenschaft, die in Geim und Novoselovs 2004 beschrieben wurde, war die Mobilität, mit der elektronische Informationen über die Graphenoberfläche fließen können. Der langsame Schritt in unseren Computern bewegt Informationen von Punkt A zu Punkt B, sagte Tour mir. Jetzt haben Sie den langsamen Schritt genommen, die größte Hürde in der Silizium-Elektronik, und youve eingeführt ein neues Material andboom Ganz plötzlich, Sie erhöhen die Geschwindigkeit nicht um einen Faktor von zehn, sondern um einen Faktor von hundert, vielleicht sogar mehr. Die Nachrichten galvanisierten die Halbleiterindustrie, die kämpfte, um mit Moores-Gesetz zu halten, entworfen im Jahre 1965 von Gordon Moore, ein Mitbegründer von Intel. Alle zwei Jahre, sagte er voraus, die Dichte und damit die Wirksamkeit der Computer-Chips würde verdoppeln. Seit fünf Jahrzehnten haben Ingenieure es geschafft, Schritt zu halten mit Moores Gesetz durch Miniaturisierung, Verpackung zunehmende Anzahl von Transistoren auf Chipsas viele als vier Milliarden auf einem Silizium-Wafer die Größe eines Fingernagels. Ingenieure haben weitere Computer beschleunigt durch Dotierung von Silizium: Einführung von Atomen aus anderen Elementen, um das Gitter fester zu quetschen. Aber theres eine Grenze. Schrumpfen Sie den Chip zu viel, bewegte seine Transistoren zu dicht beieinander, und Silizium funktioniert nicht mehr. Bereits 2017 können Siliziumchips nicht mehr mit dem Moores-Gesetz Schritt halten. Graphen, wenn es funktioniert, bietet eine Lösung. Noch fünf Minuten und Im all yours, Mr. Antsy. Theres ein Problem, zwar. Halbleiter, wie z. B. Silizium, werden durch ihre Fähigkeit, in Gegenwart eines elektrischen Feldes in Logikchips ein - und auszuschalten, definiert, wobei der Schaltprozess diejenigen und die Nullen erzeugt, die die Sprache von Computern sind. Graphen, ein Halbmetall, lässt sich nicht abschalten. Zuerst glaubten Ingenieure, dass sie Graphen dösen konnten, um eine Bandlücke zu öffnen, die elektrische Eigenschaft, die Halbleitern erlaubt, als Schalter zu fungieren. Aber zehn Jahre nach Geim und Novoselovs Papier ist es niemandem gelungen, eine Lücke weit genug zu öffnen. Youd müssen es so viel ändern, dass seine nicht mehr graphen, sagte Tour. Tatsächlich haben diejenigen, die es geschafft haben, eine solche Lücke zu schaffen, gelernt, dass sie die Mobilität töten und Graphen nicht besser machen als die Materialien, die wir jetzt verwenden. Das Ergebnis war eine gewisse Dämpfung der Stimmung bei Halbleiter-Unternehmen. Ich besuchte vor kurzem das Thomas J. Watson Forschungszentrum, das Haupt-R. amp D. Labor für I. B.M., ein bedeutender Hersteller von Silizium-Halbleiterchips. Etwa eine halbe Stunde nördlich von New York City befindet sich das Zentrum in einem von Eero Saarinen entworfenen Gebäude, das 1961 erbaut wurde. Ein riesiger Glasbogen mit einer gehobenen Frontmarkise ist eine Art Denkmal für die Schwierigkeit, die Zukunft vorauszusagen. Saarinen stellte sich vor, dass transformative Ideen von Gruppen von Wissenschaftlern entstehen würden, die in Versammlungsräumen arbeiten, in denen Liegen und Couchtische immer noch neben schwebenden Fenstern sitzen. Stattdessen verbringen die Wissenschaftler einen Großteil des Tages über Computerbildschirme in ihren Büros: kleine, fensterlose Höhlen, die scheinbar als Nachdenken geschaffen worden sind. In einem engen Büro traf ich Supratik Guha, der Direktor der Naturwissenschaften an der I. B.M. und der die Unternehmensstrategie für weltweite Forschung setzt. Guha beklagte den übertriebenen Hype, der Graphen als Ersatz für Silizium umgab und sprach traurig darüber, wie der Versuch, eine Bandlücke einzuführen, im besten Fall eine bedeutende Innovation ist. Er beeilte sich hinzuzufügen, dass I. B. M. nicht Graphen abgeschrieben hat. Anfang 2014 gab das Unternehmen bekannt, dass seine Forscher die erste auf Graphen basierende integrierte Schaltung für drahtlose Geräte gebaut haben, die zu billigeren, effizienteren Handys führen könnte. Aber in der Suche, um Graphen ein Ersatz für Silizium, Guha gibt, sie wenig Hoffnung halten. Der Fokus von I. B.M. bleibt die einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre, die bei Rice von Tours Mentor und Vorgänger Rick Smalley entwickelt wurde. In den achtziger Jahren entdeckten Smalley und seine Kollegen, dass sich Moleküle von Kohlenstoffatomen in einer Vielzahl von Formen anordnen, wobei einige Sphären (die Buckyballs genannt wurden, wegen ihrer Ähnlichkeit mit Buckminster Fullers geodätischen Kuppeln) und andere Röhren waren. Als die Forscher fanden, dass die Rohre als Halbleiter fungieren können, wurde das Material sofort als möglicher Ersatz für Silizium vorgeschlagen. Zusammen mit seinen Mitarbeitern wurde Smalley 1996 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet, und er überredete Rice, das Multimillion-Dollar-Nanotechnologie-Zentrum zu bauen, das Tour später übernahm. Dennoch haben Kohlenstoff-Nanoröhrchen einer leichten Ausbeutung widerstanden. Sie haben die notwendige Bandlücke, aber den Aufbau eines Chips mit ihnen bringt manövrieren Milliarden von Minuten Objekte in präzise Positionen eine Schwierigkeit, die Wissenschaftler seit fast zwei Jahrzehnten verletzt hat. Ohne ganz zuzugeben, dass er Interesse an Kohlenstoff-Nanoröhrchen verloren hat, sagte mir Tour, dass sie sich nie wirklich gut vermarkten. Bei I. B.M., die mehr als ein Jahrzehnt Forschung und Dutzende von Millionen Dollar in das Material investiert hat, gibt es große Zurückhaltung, um Niederlage zuzugeben. Guha stellte mich mit George Tulevski vor, der das Kohlenstoff-Nanoröhren-Forschungsprogramm von I. B.M. Als ich Graphen erwähnte, zeigte er die Verteidigung, die man von einem Wissenschaftler erwarten konnte, der fast zehn Jahre lang nur einer neuartigen Technologie gewidmet hat, um nur von einem glanzvollen neuen erzählt zu werden. Geräte müssen ein - und ausschalten, sagte Tulevski. Wenn es nicht ausschaltet, es verbraucht viel zu viel Macht. Es gibt keine Möglichkeit, Graphen auszuschalten. Also diese Elektronen gehen superfast, und thats greatbut Sie cant das Gerät ausschalten. Cyrus Mody, der Historiker, ist ebenso vorsichtig. Diese Vorstellung, dass theres eine Form der Mikroelektronik, die theoretisch viel, viel schneller als herkömmliches Silizium ist nicht neu, sagte er mir. Er weist auf den Präzedenzfall der Josephson-Junction-Schaltung. Im Jahre 1962 sagte der britische Physiker Brian David Josephson, dass Elektrizität mit beispiellosen Geschwindigkeiten durch eine Schaltung fließt, die aus zwei Supraleitern besteht, die durch ein schwaches Verbindungsmaterial getrennt sind. Die Einsicht führte zu einem Nobelpreis für Physik und träumt von einer exponentiell schnelleren Elektronik. Viele Leute dachten, dass wed die Umstellung auf supraleitende Josephson-Junction-Mikroelektronik bald, sagte Mody. Aber wenn Sie tatsächlich auf die Herstellung einer komplexen Schaltung mit vielen und vielen und viele Logik-Tore, und macht viele und viele solcher Schaltungen mit sehr großen Erträgen, die Fertigungsprobleme wirklich machen es unmöglich, weiterzumachen. Und ich denke, das wird die Hürde, dass die Menschen havent wirklich als genug, wenn sie über Graphen sprechen zu sein. Aber andere Wissenschaftler argumentieren, dass das Hindernis nicht graphenes physikalischen Eigenschaften ist. Die Halbleiterindustrie weiß, wie man eine Bandlücke einführt, sagte Amanda Barnard, ein theoretischer Physiker, der die Australias Commonwealth Scientific und die industrielle Forschungsorganisation leitet. Das Problem ist Geschäft: Weve hat eine globale Investition in der Größenordnung von Billionen Dollar in Silizium, und würde nicht gehen, weg von dem. Zunächst muss Graphen mit siliconit müssen arbeiten in unseren bestehenden Fabriken und Produktionslinien und Forschung Fähigkeiten und dann gut bekommen etwas Dynamik zu arbeiten. Tour hat wenig Sympathie für die Halbleiterindustrie Enttäuschung mit Graphen. IB. M. ist alles aus, weil sie zielstrebig sind, sagte er. Sie haben Computer zu machen und sie haben Moores Gesetz. Aber das ist ihre eigene Schuld Was andere Industrie hat sich mit der Verdoppelung ihrer Leistung alle achtzehn Monate herausgefordert In der chemischen Industrie, wenn wir einen Ein-Prozent-höheren Ertrag in einem Jahr bekommen können, denken wir, dass wir ziemlich gut getan haben. Vielleicht der expansivste Denker über das Materialpotential ist Tomas Palacios, ein spanischer Wissenschaftler, der das Center for Graphene Devices und 2D Systems, bei M. I.T. Anstatt Graphen zu verwenden, um bestehende Anwendungen zu verbessern, wie das Tours-Labor meist tut, versucht Palacios, Geräte für eine zukünftige Welt zu bauen. Mit sechsunddreißig Jahren hat Palacios eine Studentengemeinde und ein sanftes Sprechen, das wild ambitionierte Vorstellungen scheinbar plausibel macht. Als Elektroingenieur strebt er nach ubiquitärer Elektronik, die um den Faktor 100 die Anzahl der elektronischen Geräte in unserem Leben erhöht. Aus der Perspektive seines Labors würde die Welt stark verbessert werden, wenn jedes Objekt, von Fenstern zu Kaffeetassen, Papiergeld und Schuhen, mit Energieerntemaschinen, Sensoren und Leuchtdioden eingebettet wäre, die es ihnen erlaubten, billig zu sammeln und Übertragen. Grundsätzlich wird alles um uns herum in der Lage sein, sich in ein Display auf Anfrage zu verwandeln, erzählte er mir, als ich ihn vor kurzem besuchte. Palacios sagt, dass Graphen könnte dies alles möglich, aber zuerst, muss es in diese Kaffeetassen und Schuhe integriert werden. Wie Mody betonte, muss radikale Innovation oft auf das richtige Umfeld warten. Sein weniger ungefähr eine störende Technologie und mehr über Momente, in denen die Verbindungen zwischen einem Satz von Technologien einen Punkt erreichen, in dem sein mögliches, damit sie viele Praxis ändern, sagte er. Dampflokomotiven waren schon lange her, bevor sie wirklich störend wurden. Was erforderlich war, waren Veränderungen in anderen Teilen der Wirtschaft, andere Technologien, die sich mit der Dampfmaschine, um es effizienter und wünschenswerter. Für Palacios ist die entscheidende technologische Ergänzung ein Fortschritt im 3-D-Druck. In seinem Labor entwickelten vier Schüler einen frühen Prototyp eines Druckers, der es ihnen erlaubte, Graphen-basierte Objekte mit elektrischer Intelligenz zu erzeugen. Zusammen mit Marco de Fazio, einem Wissenschaftler von STMicrolectronics, einer Firma, die Tintenstrahldruckköpfe herstellt, gruppierten sie sich um ein kleines, halbgebautes Gerät, das ein wenig wie eine Tinkertoy-Konvertierung auf einer verspiegelten Basis aussah. Wir haben gerade den Drucker vor ein paar Wochen, sagte Maddy Aby, ein ponytailed Meister Student, sagte. Es kam mit einem Kit. Wir müssen die gesamte Elektronik hinzufügen. Sie zeigte auf eine Düse, die auf dem Tisch lag. Das schießt jetzt plastisch, aber Marco gab uns diese Druckköpfe, die das Graphen und andere Arten von Tinten drucken werden. Die Gruppenmitglieder überlegten, wie man Graphen in die von ihnen gedruckten Objekte integriert. Sie können das Material in Kunststoff mischen oder einfach auf die Oberfläche der vorhandenen Objekte drucken. Es gab immer noch gewaltige Hürden. Die Forscher hatten herausgefunden, wie man Graphen in eine liquidno einfache Aufgabe umwandelt, da das Material stark hydrophob ist, was bedeutet, dass es verklumpt und verstopft die Druckköpfe. Sie mussten zuerst Graphen zu Graphenoxid umwandeln, indem sie Gruppen von Sauerstoff - und Wasserstoffmolekülen hinzufügten, aber dieser Prozess negiert seine elektrischen Eigenschaften. Sobald sie den Gegenstand gedruckt hatten, müssten sie ihn mit einem Laser erwärmen. Wenn Sie es aufheizen, sagte Aby, Sie verbrennen diese Gruppen und reduzieren sie zurück zu Graphen. Wenn das möglich war, war ungewiss, hoffte sie, das Gerät in drei Monaten zu haben. Der Laser braucht mehr Zustimmung von den Kräften, die sein, sagte sie und blickte ballenvoll auf die Drucker gespiegelt basethe Art perfekt für bouncing Laserstrahlen über einen Raum. De Fazio schlug vor, sie mit einem Silizium-Wafer zu bedecken. Das könnte funktionieren, sagte Aby. Natürlich könnte dies auch Bestätigung Vorurteil von mir, dass Sie krank werden wollen. Palacios erkennt, dass tausendjähriger Wandel erst nach bescheidenen, strategischen Schritten kommt. Er erwähnte Samsung, die laut Branchengericht plant, das erste Gerät mit einem Bildschirm zu starten, der Graphen einsetzt. Graphen ist nur eine kleine Komponente, die verwendet wird, um den Strom auf das Display zu liefern, sagte er. Aber das ist eine spannende erste Anwendung doesnt haben, um den Durchbruch, dass wir alle freuen uns auf. Es ist ein guter Weg, um Graphen in everyones Fokus zu bekommen und auf diese Weise rechtfertigen mehr Investitionen. Inzwischen hat einer seiner Schüler, Lili Yu, an einem Prototyp für einen flexiblen Bildschirm gearbeitet. Palacios, in seinem Büro, sagte mir, dass sein ehrgeizigstes Ziel ist Graphen Origami, in dem Blätter des Materials gefaltet werden, um Organellen nachzuahmen, minuscule Strukturen innerhalb einer biologischen Zelle. Es ist nicht anders als die Natur mit DNA, ein Material, das eine eindimensionale Struktur ist, die viele, viele, viele Male gefaltet wird, um die Chromosomen zu machen. Wenn die Methode funktioniert, könnte es verwendet werden, um riesige Mengen an Rechenleistung in einem winzigen Raum verpacken. There might be applications in medicine, he says, and in something he calls smart dustthings that are just as tiny as dust particles but have a functionality to tell us about the pollution in the atmosphere, or if there is a flu virus nearby. These things will be able to connect to your phone or to the embedded displays everywhere, to tell you about things happening around you. For the moment, the challenges are more earthbound: scientists are still trying to devise a cost-effective way to produce graphene at scale. Companies like Samsung use a method pioneered at the University of Texas, in which they heat copper foil to eighteen hundred degrees Fahrenheit in a low vacuum, and introduce methane gas, which causes graphene to grow as an atom-thick sheet on both sides of the coppermuch as frost crystals grow on a windowpane. They then use acids to etch away the copper. The resulting graphene is invisible to the naked eye and too fragile to touch with anything but instruments designed for microelectronics. The process is slow, exacting, and too expensive for all but the largest companies to afford. At Tours lab, a twenty-six-year-old postdoc named Zhiwei Peng was waiting to hear from a final reviewer of a paper he had submitted, in which he detailed a way to create graphene with no superheating, no vacuums, and no gases. (The paper was later approved for publication.) Peng had stumbled on his method a few months before. While heating graphene oxide with a laser, he missed the sample, and accidentally heated the material it was sitting on, a sheet of polyimide plastic. Where the laser touched the plastic, it left a black residue. He discovered that the residue was layers of graphene, loosely bonded with oxygen molecules, whichlike the residue on Geims tapecould easily be exfoliated to single-atom sheets. He showed me how it worked, the laser tracking back and forth across the surface of a piece of polyimide and leaving with each pass a needle-thin deposit of material. Single layers of graphene absorb 2.5 per cent of available light as layers pile up, they begin to appear black. After a few minutes, Peng had produced a crisp, matte-black latticeperhaps an inch wide, and worth tens of thousands of dollars. Cherukuri, Tours lab manager, pointed at it and said, That is the race. The tech-research firm Gartner uses an analytic tool that it calls the Hype Cycle to help investors determine which discoveries will make money. A graph of the cycle resembles a cursive lowercase r, in which a discovery begins with a Technology Trigger, climbs quickly to a Peak of Inflated Expectations, falls into the Trough of Disillusionment, and, as practical uses are found, gradually ascends to the Plateau of Productivity. The implication is not (or not only) that most discoveries dont behave as expected its that a new thing typically becomes useful sometime after the publicity fades. Nearly every scientist I spoke with suggested that graphene lends itself especially well to hype. Its an electrically useful material in a time when we love electrical devices, Amanda Barnard told me. If it had come along at a time when we were not so interested in electronic devices, the hype might not have been so disproportionate. But then there wouldnt have been the same appetite for investment. Indeed, Henry Petroski, a professor at Duke and the author of To Engineer Is Human, says that hype is necessary to attract development dollars. But he offers an important proviso: If there is too much hype at the discovery stage and the product doesnt live up to the hype, thats one way of its becoming disappointing and abandoned, eventually. Guha, at I. B.M. believes that the field of nanotechnology has been oversold. Nobody stands to benefit from giving the bad news, he told me. The scientist wants to give the good news, the journalist wants to give the good newsthere is no feedback control to the system. In order to develop a technology, there is a lot of discipline that needs to go in, a lot of things that need to be done that are perhaps not as sexy. Tour concurs, and admits to some complicity. People put unrealistic time lines on us, he told me. We scientists have a tendency to feed thatand Im guilty of that. A few years ago, we were building molecular electronic devices. The Times called, and the reporter asked, When could these be ready I said, Two yearsand it was nonsense . I just felt so excited about it. The impulse to overlook obvious difficulties to commercial development is endemic to scientific research. Geims paper, after all, mentioned the band-gap problem. People knew that graphene is a gapless semiconductor, Amirhasan Nourbakhsh, an M. I.T. scientist specializing in graphene, told me. But graphene was showing extremely high mobilityand mobility in semiconductor technology is very important. People just closed their eyes. According to Friedel, the historian, scientists rely on the stubborn conviction that an obvious obstacle can be overcome. There is a degree of suspension of disbelief that a lot of good research has to engage in, he said. Part of the artand it is artcomes from knowing just when it makes sense to entertain that suspension of disbelief, at least momentarily, and when its just sheer fantasy. Lord Kelvin, famous for installing telegraph cables on the Atlantic seabed, was clearly capable of overlooking obstacles. But not always. Before his death, in 1907, Lord Kelvin carefully, carefully calculated that a heavier-than-air flying machine would never be possible, Friedel says. So we always have to have some humility. A couple of bicycle mechanics could come along and prove us wrong. Recently, some of the most exciting projects from Tours lab have encountered obstacles. An additive to fluids used in oil drilling, developed with a subsidiary of the resource company Schlumberger, promised to make drilling more efficient and to leave less waste in the ground instead, barrels of the stuff decomposed before they could be used. The company that hired Tours group to make inflatable slides and rafts for aircraft found a cheaper lab. (Tour was philosophical about it, in part because he knew hed still get some money from the contract. Theyll have to come back and get the patent, he said.) The technology for the Fukushima-reactor cleanup stalled when scientists in Japan couldnt get the powder to work, and the postdoc who developed the method was unable to get a visa to go assist them. Youve got to teach them how its done, Tour said. You want the pH right. Tours optimism for graphene remains undimmed, and his group has been working on further inventions: superfast cell-phone chargers, ultra-clean fuel cells for cars, cheaper photovoltaic cells. What Geim and Novoselov did was to show the world the amazingness of graphene, that it had these extraordinary electrical properties, Tour said. Imagine if one were God. Here, Hes given us pencils, and all these years scientists are trying to figure out some great thing, and youre just stripping off sheets of graphene as you use your pencil. It has been before our eyes all this time John Colapinto became a staff writer at The New Yorker in 2006. His new novel, Undone, is out in Canada. Graphene may power ultra-fast, next-gen electronics LONDON: Graphene - often touted as the wonder material - can transmit extremely high currents, making it a potential building block for next-generation ultra-fast electronics. scientists say. Researchers from Technische Universitat Wien (TU Wien) in Austria showed that the electrons in graphene are extremely mobile and react very quickly. Impacting xenon ions with a particularly high electric charge on a graphene film causes a large number of electrons to be torn away from the graphene in a very precise spot. However, the material was able to replace the electrons within some femto seconds. This resulted in extremely high currents, which would not be maintained under normal circumstances. Its extraordinary electronic properties make graphene a very promising candidate for future applications in the field of electronics. We work with extremely highly-charged xenon ions. Up to 35 electrons are removed from the xenon atoms, meaning the atoms have a high positive electric charge, said Elisabeth Gruber from TU Wien. These ions are then fired at a free-standing single layer of graphene, which is clamped between microscopically small brackets. The xenon ion penetrates the graphene film, thereby knocking a carbon atom out of the graphene - but that has very little effect, as the gap that has opened up in the graphene is then refilled with another carbon atom, said Gruber. For us, what is much more interesting is how the electrical field of the highly charged ion affects the electrons in the graphene film, she said. This happens even before the highly charged xenon ion collides with the graphene film. As the highly charged ion is approaching it starts tearing electrons away from the graphene due to its extremely strong electric field. By the time the ion has fully passed through the graphene layer, it has a positive charge of less than ten, compared to over 30 when it started out. The ion is able to extract more than 20 electrons from a tiny area of the graphene film. This means that electrons are now missing from the graphene layer, so the carbon atoms surrounding the point of impact of the xenon ions are positively charged. This extremely high electron mobility in graphene is of great significance for a number of potential applications. The hope is that for this very reason, it will be possible to use graphene to build ultra-fast electronics, said researchers. Graphene also appears to be excellently suited for use in optics, for example in connecting optical and electronic components, they added. The study was published in the journal Nature Communications.
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