Wat is momenteel het lievelingsmateriaal van natuurkundigen? Grafeen, zonder twijfel. In 2010 ging de Nobelprijs voor Natuurkunde naar de makers ervan, Andre Geim en Konstantin Novoselov. Is grafeen voor jou nog een compleet mysterie? Met deze snelcursus ben je in één keer helemaal bij: grafeen in vier vragen.
- Wat is grafeen eigenlijk?
- Wat maakt grafeen bijzonder?
- Wie heeft grafeen ontdekt?
- Wat kunnen we met grafeen?
Wat is grafeen eigenlijk?
Grafeen is een materiaal dat volledig bestaat uit koolstof, net als bijvoorbeeld diamant en grafiet. Grafeen is zelfs onderdeel van grafiet. Grafiet – wat je onder meer vindt in je potloodpunt – bestaat uit gestapelde laagjes van koolstofatomen. Als je met een potlood iets schrijft, schraap je een paar van die laagjes van de stapel af en duw je ze op het papier. Eén zo’n laagje noemen we grafeen.
Een artistieke weergave van een enkel laagje grafiet, beter bekend als grafeen. De zwarte bolletjes zijn de koolstofatomen, en de witte staafjes stellen de verbindingen tussen de atomen voor. Herken je de kippengaasstructuur?
AlexanderAlUS via CC BY-SA 3.0Grafeen is dus een plat laagje materiaal van één atoom dik: dunner dan dat kan niet. Het is dus ook verrassend eenvoudig van vorm: het uiterlijk wordt bepaald door de manier waarop de koolstofatomen zijn gerangschikt. Deze atomen vormen zeshoeken, waardoor grafeen er onder een zeer sterke microscoop uitziet als een honingraat of kippengaas. Grafeen wordt daarom ook wel eens gekscherend ‘nano-kippengaas’ genoemd.
Wat maakt grafeen bijzonder?
Grafeen is het dunste materiaal dat mogelijk is, slechts één atoom dik. In de natuurkunde noemt men het een tweedimensionaal materiaal, ondanks dat het laagje koolstof een (zeer kleine) dikte heeft. De meeste materialen zijn driedimensionaal. Grafeen is voor een tweedimensionaal materiaal bijzonder stabiel. Dat maakt grafeen uniek.
Vanwege de unieke structuur heeft grafeen bijzondere eigenschappen. De krachtige koolstofbindingen in het materiaal maken grafeen tot het sterkste materiaal tot nu toe. Verder is grafeen doorzichtig en flexibel en stijf tegelijk. Je kunt het opvouwen, opblazen en laten trillen als een trommelvlies. Het ultieme cadeau voor de wetenschapper; het is ongelooflijk veelzijdig speelmateriaal, waarmee de natuur beter begrepen kan worden.
Impressie van een molecuul boven een vel grafeen.
UCL Mathematical and Physical Sciences via CC BY-SA 2.0De ware kracht van grafeen schuilt echter in de elektrische eigenschappen. De elektronen zoeven over het oppervlak alsof ze geen massa hebben. Dat maakt de geleiding van grafeen bijzonder goed. Maar ook erg gevoelig: bij de aanraking van één molecuul verandert de elektrische weerstand al. In de elektronica- en sensorindustrie liggen dus grote kansen voor grafeen.
Neem al deze bijzondere eigenschappen en het zal geen verrassing zijn dat veel wetenschappers de afgelopen jaren met volle overgave op grafeen zijn gedoken om ermee te experimenteren. Nog regelmatig blijkt grafeen in staat om te verrassen met wéér een unieke eigenschap. Lees hieronder over voorbeelden van onderzoek naar de eigenschappen van grafeen.
Wie heeft grafeen ontdekt?
Andre Geim en Konstantin Novoselov wonnen de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2010 voor hun werk aan grafeen. Ze worden daarom vaak als ‘de ontdekkers’ van grafeen neergezet. Maar dat is onterecht. Degene die grafeen écht heeft ontdekt was de Canadese natuurkundige Philip Russell Wallace. In 1947 zag hij in dat de laagjes koolstof in grafiet niet bijzonder stevig aan elkaar gebonden zaten. Hij vroeg zich af welke eigenschappen een enkel laagje zou hebben.
Wallace sloeg aan het rekenen en ontdekte bijvoorbeeld dat elektronen zich gedroegen alsof ze geen gewicht hadden. Maar hij kwam ook tot de conclusie dat grafeen in het echt niet kon bestaan. De sterke krachten tussen de atomen zouden het velletje direct laten oprollen of opkrullen, dacht hij.
Wetenschappers deden desondanks volop pogingen enkele laagjes uit grafiet los te peuteren, maar zonder succes. Tot in 2004 Geim en Novoselov het wél lukte. Het romantische verhaal gaat dat ze het enkel deden door met plakband losse laagjes grafeen van een potloodpunt los te trekken. Het plakband bracht ze weliswaar op het idee, maar het werkelijke experiment behelsde aanzienlijk meer. Desondanks was de techniek verbluffend simpel.
De publicatie over hun ontdekking in het vakblad Science sloeg in als een bom. Veel wetenschappers besloten plots het ‘wondermateriaal’ te onderzoeken op zijn bijzondere eigenschappen. Een kudde losgeslagen neushoorns, noemde Geim zijn collega’s. Nog altijd worden talloze onderzoeken gewijd aan grafeen. De toekenning van de Nobelprijs aan Geim en Novoselov kwam dan ook voor weinigen als een verrassing. Alleen was het misschien wat aan de vroege kant, aangezien er momenteel nog nauwelijks toepassingen van grafeen bestaan.
Wat kunnen we met grafeen?
Je zou langzamerhand beter kunnen vragen: wat kunnen we niet met grafeen? De lijst van mogelijke toepassingen met grafeen wordt vrijwel met de dag langer. In 2010 was grafeen het onderwerp van 3000 publicaties en 400 patentaanvragen. Als grafeen daadwerkelijk ingezet gaat worden voor de toepassingen waar nu onderzoek naar wordt gedaan, gaan we grafeen op de meest uiteenlopende plekken terugzien.
Impressie van DNA.
Qimono voor Pixabay via CC0Bijvoorbeeld als sensor voor de gevoelige detectie van (mogelijk giftige) moleculen, als onderdeel van een techniek om DNA mee af te lezen, als bekabeling van een ruimtelift, als bacteriekiller of misschien wel als middel om medicijnen op de juiste plaats in het lichaam af te leveren.
Eén van de voornaamste toepassingsgebieden van grafeen is de elektronica. De doorzichtigheid en geleiding maken grafeen een topkandidaat voor een nieuwe generatie buigzame beeldschermen of touchscreens.
Veel onderzoekers zien grafeen ook als de beste kandidaat voor toekomstige transistors. Grafeen geleidt beter dan silicium, en bij hogere temperaturen. Fabrikanten als IBM en Samsung zijn momenteel hard aan het experimenteren met grafeen. Maar of grafeen daadwerkelijk silicium zal vervangen als hoofdbestanddeel van computerchips is nog zeer de vraag. Daar zijn de meningen over verdeeld.
Voorlopig blijft het voornamelijk bij speculeren waar we grafeen in de toekomst in ons dagelijks leven gebruiken. Een grote hobbel naar toepassingen werd in 2010 genomen, toen Zuid-Koreaanse en Japanse wetenschappers voor het eerst grote lappen grafeen wisten te maken. Ook demonstreerden ze een werkend touchscreen van grafeen. Grafeen heeft nog genoeg geheimen om wetenschappers zoet te houden, maar toepassingen komen wel degelijk in zicht.