Neem een potlood en een stukje plakband, en je hebt de belangrijkste gereedschappen om grafeen te maken. Het grafiet waar de stift van je potlood van gemaakt is bestaat uit losjes gebonden laagjes koolstof, en door met een plakbandje die laagjes van elkaar los te maken is het mogelijk om enkele laagjes te isoleren. Zo’n los laagje (of een dun stapeltje laagjes), een zeshoekig rooster van koolstofatomen, wordt grafeen genoemd, en heeft heel bijzondere eigenschappen. Een enkele laag grafeen is zo dun, dat je met één gram van de stof bijna een heel voetbalveld zou kunnen bedekken.

Doordat grafeen veel breder en langer is dan het hoog is, gedraagt het zich niet zoals driedimensionaal grafiet. “Grafeen is het eerste echt tweedimensionale kristal. Het heeft unieke elektrische eigenschappen die ons nog nog veel kunnen leren over het fundamentele gedrag van elektronen in een vaste stof,” zegt Uli Zeitler, grafeen-onderzoeker in Nijmegen. De elektrische geleiding van grafeen is bijzonder goed – in sommige omstandigheden is het zelfs supergeleidend, wat betekent dat stroom er weerstandsloos doorheen kan. Tel daarbij op dat het materiaal ook nog bijzonder stevig en tegelijkertijd elastisch is, en je begrijpt dat de ontdekkers van deze stof een gat in de lucht sprongen.

Kwetsbaar laagje

Maar ondanks alle mooie eigenschappen is het niet makkelijk gebleken om grafeen nuttig toe te passen. De productiemethode is nog lang niet geoptimaliseerd, en dus zijn grote stukken grafeen nog niet makkelijk beschikbaar. Bovendien is het heel lastig om elektrische contacten aan te brengen op het enkellaags koolstof zonder het daarmee kapot te maken. En als dat dan al allemaal gelukt is, moet het dunne laagje ook de metingen nog overleven.

Onderzoeker Jos Giesbers wilde desondanks proberen om één van de mooiste eigenschappen van grafeen om te zetten in een bruikbare toepassing. Grafeen laat namelijk al bij kamertemperatuur het quantum-Halleffect zien (zie kader), waarmee het mogelijk is om heel precies elektrische weerstanden te meten. “Het zou heel mooi zijn als we alle natuurkundige grootheden met behulp van quantum-verschijnselen precies kunnen definiëren,” zegt Uli Zeitler. “Om de elektrische weerstand vast te stellen gebruiken wij het quantum-Halleffect.”

Het quantum-Halleffect: sprongetjes in de spanning

Het quantum-Halleffect is de quantummechanische versie van een effect dat in 1879 door Edwin Hall werd ontdekt. Hij constateerde dat over een dun plaatje geleider- of halfgeleidermateriaal dat zich in een magneetveld bevindt, een potentiaalverschil ontstaat tussen de beide uiteinden van het plaatje: de zogenaamde Hall-spanning. De grootte hiervan is karakteristiek voor de samenstelling van een materiaal.

Wordt het plaatje superdun gemaakt (natuurkundigen spreken dan van een tweedimensionaal elektronengas), dan vertoont de Hall-spanning plateaus. De Hall-weerstand is dan precies 25.812,807 Ohm, de zogeheten constante van Planck, gedeeld door de waarde van de lading van het elektron in het kwadraat. Deze waarde kan met een precisie van één op de biljoen gemeten worden. Het quantum-Halleffect leverde zo een nieuwe standaard voor de elektrische weerstand op, die sinds 1990 de Von Klitzing-constante wordt genoemd. Het quantum-Halleffect werd in 1980 ontdekt door de Duitse fysicus Klaus von Klitzing; hij kreeg er in 1985 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor.

Het quantum-Halleffect wordt nu ook al als weerstandsijking gebruikt, maar alleen bij grote meetinstituten. De reden daarvoor is dat het quantum-Halleffect normaal gesproken niet bij kamertemperatuur voorkomt, maar alleen in sterk gekoelde experimenten. Bovendien is er een heel hoog magneetveld nodig om het effect te krijgen. Voor grafeen zijn kamertemperatuur en een relatief laag magneetveld van 2 Tesla al genoeg om het quantum-Halleffect te zien, zodat je dezelfde meting gewoon in de huiskamer kunt uitvoeren.

Nanokippengaas in massaproductie

Grafeen is niet eenvoudig te maken. Hoewel je met plakband kleine schilfertjes van het ‘nano-kippengaas’ kunt trekken, is het nog niet mogelijk om grote, gecontroleerde stukken ervan te produceren. In Nijmegen wordt gewerkt aan een manier om met een Atomic Force microscoop (AFM) dunne plakjes van grafiet af te snijden. Op die manier moet het mogelijk worden om precies te controleren hoe groot en dik grafeenlaagjes zijn. Zo komt het in massaproductie brengen van apparaten met grafeen erin een stukje dichterbij.

Giesbers had niet minder dan vier pogingen nodig om zijn weerstandsmeter aan de praat te krijgen, maar het resultaat mag er zijn: in Nijmegen ligt nu een apparaat dat, dankzij grafeen, op kamertemperatuur het quantum-Halleffect kan gebruiken voor weerstandbepaling. Omdat de fabricage nog zo lastig is, zal het nog wel even duren voordat de nieuwe weerstandsmetertjes ook in de bouwmarkt liggen. Toch is het een doorbraak in het grafeenonderzoek: de Nijmeegse onderzoekers hebben duidelijk aangetoond dat het wondermateriaal wel degelijk geschikt is voor alledaagse toepassingen.