Die alte und feine Kunst des Origami hat die atomare Skala erreicht. Forscher sind nun in der Lage, Graphen – ein atomdickes Blatt Kohlenstoff – präzise in kundenspezifische Formen zu falten. 

Die Technik könnte verwendet werden, um winzige Strukturen wie Nanoroboter und flexible Schaltungen aufzubauen oder um leistungsfähigere Prozessoren zu entwickeln.

Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, Graphen zuverlässig so zu falten, dass er wünschenswerte neue Eigenschaften aufweist. So kann beispielsweise das Drehen von zwei Graphenschichten an einem „magischen Winkel“ von 1,1 Grad es supraleitend werden lassen, so dass Strom widerstandslos durchfließen kann. 

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Forscher glauben, dass die Manipulation des vielversprechenden Materials, das zäher als Stahl, elastischer als Gummi und leichter als Aluminium ist, zu neuen Entdeckungen führen und die aktuellen Technologien revolutionieren könnte. 

Doch der Umgang mit Materialien auf atomarer Ebene ist knifflig, weil die seltsamen Eigenschaften der Quantenmechanik im Weg stehen könnten, und dies muss mit höchster Präzision unter extrem sauberen und kalten Bedingungen erfolgen. 

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat ein Team von Wissenschaftlern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ein 20 Nanometer breites Blatt Graphen wie ein Blatt Papier mit einer scharfen Nadel und einem einzigen elektrisch geladenen Atom an der Spitze gefaltet, eine Technik, die als Rastertunnelmikroskop (STM) bekannt ist. Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift  Science  veröffentlicht. 

Das Rastertunnelmikroskop ist ein Instrument zur Abbildung von Oberflächen auf atomarer Ebene. Seine Entwicklung im Jahr 1981 brachte seinen Erfindern Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 den Nobelpreis für Physik ein. 

Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die sich auf Zufälle oder das Schneiden des Graphenmaterials stützten, um seine Form und Eigenschaften zu manipulieren, ermögliche das neue Verfahren die erste Erstellung von maßgeschneiderten, atomar präzisen Origami-Graphen-Nanostrukturen, sagte Chen Hui, Erstautor der Forschungsarbeit. 

Das gefaltete Graphen hat einige neue Eigenschaften gezeigt, die typischerweise in einem einzigen Graphenblatt fehlen. Zum Bespiel kann der Rand der Falte elektrische Eigenschaften aufweisen, ähnlich einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen, sagte Chen, Postdoktorand am Institut für Physik an der Akademie. „Mit dem Rastertunnelmikroskop und seinen Folgetechnologien können wir Atome nicht nur direkt beobachten, sondern sie auch manipulieren, wie beim Stapeln von Holzblöcken“, sagte Chen. 

„Theoretisch kann unsere Technik auch mit anderen Materialien arbeiten, sofern sie gute elastische Eigenschaften aufweisen. Das bedeutet, dass wir mit der Nadel auch andere Materialien falten und komplexere künstliche Materialien herstellen können, die in der Nanoelektronik, Biomedizin und Energie eingesetzt werden können.“ 

Die Formen aus Graphen und ähnlichen Materialien könnten als virtuelle Labore dienen, um neue Vorhersagen über unentdeckte Zustände der Materie und die Gesetze der Physik zu testen, sagte er.  

„In Zukunft hoffen wir, unsere neue Atommanipulationstechnik bekannt zu machen und möglicherweise eine neue Grenze in der verwandten globalen Forschung zu öffnen“, sagte Chen.