Als je met een potlood een streep op papier zet, laten er dunne laagjes grafiet los van het potlood die op papier achterblijven. Dat gaat zo makkelijk omdat grafiet een bijzondere structuur heeft: het is een opstapeling van stevige laagjes koolstof die heel losjes aan elkaar verbonden zijn. De potloodstreep is meestal een paar honderd laagjes dik. Maar sinds 2004 is het ook mogelijk om één enkel laagje grafiet te isoleren.

Omdat zo’n enkele laag hele andere eigenschappen heeft dan de opgestapelde lagen, heeft het enkele laagje een eigen naam gekregen: grafeen. De koolstofatomen in een grafeenlaag zijn in een zeshoekig rooster geschikt, een soort kippengaas van atomen. Grafeen staat vooral in de belangstelling vanwege de bijzondere manier waarop het electriciteit geleidt. Onderzoekers van de Cornell University publiceren deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters over een aantal andere interessante eigenschappen van de atoomdikke stof.

Zo stellen wetenschappers zich grafeen voor. De afstand tussen de koolstofatomen, de bolletjes op het rooster, is ongeveer een tiende nanometer.

AlexanderAlUS via CC BY-SA 3.0

AlexanderAlUS via CC BY-SA 3.0

Deze onderzoekers hebben met een laagje grafeen een piepklein putje in een glasplaat afgedekt. De zijkanten van het putje zijn 4,75 micrometer lang, ongeveer een tiende van de dikte van een haar. De diepte is ruim tien keer zo klein: 380 nanometer. Door het afgedekte putje in een ruimte met hoge of juist lage druk te plaatsen, wordt de grafeenlaag ingedeukt of uitgetrokken. Zo onderzochten de wetenschappers hoeveel het atoomdikke laagje kan verdragen voordat het breekt, en hoe doorlaatbaar het is.

Racefietsband

De druk die werd toegepast werd gevarieerd tussen een tiende van de normale, atmosferische druk, en een zeven keer zo hoge druk, vergelijkbaar met een goed opgepompte racefietsband. In alle gevallen veranderde de vorm van het laagje grafeen onder invloed van het drukverschil, maar in geen enkel geval ging het kapot.

Zo ziet de ‘nanotrommel’ van de Amerikaanse onderzoekers eruit. De plaat waar het putje in zit is van glas, en het grafeenlaagje wordt op zijn plaats gehouden door Van der Waalskrachten

Cornell University

Als het microkamertje gedurende lange tijd onder druk werd gezet, was wel te zien dat de druk binnen en buiten het kamertje langzaam gelijk werden. De tijd die daarvoor nodig was bleek echter niet te veranderen als, in plaats van een enkel laagje, meerdere lagen grafeen als afdekking van het putje werden gebruikt. De conclusie die de onderzoekers daarom konden trekken, is dat de grafeenlaag geen gassen doorlaat. Dat er desondanks een evenwichtssituatie wordt bereikt als de microkamer onder druk staat, komt doordat het glas waarin het putje is gemaakt wél af en toe gasmoleculen doorlaat. Net zoals een fietsband na verloop van tijd zacht wordt, zelfs al is het rubber niet lek.

Naast het drukexperiment hebben de onderzoekers het ‘trommelvlies’ ook met een laserstraal in trilling gebracht. Het aantal trillingen per seconde bleek heel precies afhankelijk te zijn van het aantal laagjes grafeen dat als vlies werd gebruikt. Ook de druk binnen de kamer zorgde voor duidelijke verandering in de trillingsfrequentie.

Micro-membranen

De ondoorlaatbaarheid van grafeen maakt het een erg interessant materiaal voor micro-membranen. Als je bijvoorbeeld een vloeistof vasthoudt in een ballon van grafeen, kan je er daarna met een microscoop naar kijken zonder dat het membraanmateriaal het beeld al te zeer vertekent. Door de trillingseigenschappen zou het nano-kippengaas ook geschikt zijn als microweegschaal: als er iets op een gespannen vlies grafeen ligt is de verandering in trillingsfrequentie goed toe te schrijven aan het gewicht van dat object.