- 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? Dreamstime/Knorre
Grafeen 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.
Een muzikale ode aan het wondermateriaal grafeen:
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 watermolecuul boven een vel grafeen.
De 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.
1,5 miljoen euro voor onderzoek naar grafeen
De Leidse onderzoeker Carlo Beenakker ontving anderhalf miljoen euro voor een vijfjarig onderzoek naar de eigenschappen van elektronen in grafeen. Deze elektronen, die door het grafeen bewegen alsof ze lichtdeeltjes zijn, kunnen deuren openen naar een nieuwe chiptechnologie. Maar volgens Beenakker is dat lang niet alles waar grafeen goed voor is.
Grafeen nog nooit zo goed gezien
Vraag wetenschappers wat het materiaal van de toekomst is, en ze zeggen bijna allemaal grafeen. Geen wonder, dit stofje is letterlijk 1 atoom dun, sterker dan elk ander materiaal dat we kennen en geleidt ook nog eens elektriciteit. We kunnen grafeen pas sinds 2004 maken, dus we weten er nog weinig over. In het gezaghebbende Nature Nanotechnology vertellen onderzoekers nu hoe je met een microscoop gaten in grafeen kunt schieten en dit met dezelfde microscoop in ongeëvenaard detail kunt zien én volgen.
Superglibberigheid op de nanoschaal
Wrijving zet nuttige energie om in nutteloze warmte en verspilt zo minstens vijf procent van alle welvaart in de wereld. Fysicus Joost Frenken wil wrijving tot vrijwel nul reduceren met nanostructuren op basis van grafeen. Dankzij een beurs, de ‘Advanced ERC Grant’, van 2,5 miljoen euro kan hij dit onderzoek nu in een stroomversnelling brengen.
Grafeen oogt als lappendeken
Kleine stukjes grafeen hebben een perfect, homogeen kristalrooster. Maar grafeen van grote afmetingen niet meer. Dan bestaat het materiaal uit verschillende kleinere stukjes grafeen die aan elkaar zijn gegroeid, als een soort lappendeken. Dat blijkt uit onderzoek van Amerikaanse wetenschappers, dat door vakblad Nature werd beloond met een vervroegde online publicatie.
Wie heeft grafeen ontdekt?
Philip Russell Wallace: de échte ontdekker van grafeen. Wikimedia Commons
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.
De vader van grafeen
Natuurkundige en vrijgevochten Rus Andre Geim is één van de beroemdste wetenschappers op het gebied van de nanotechnologie. Hij maakte plakband zonder lijm door de voeten van een gekko te imiteren en was de geestelijk vader van het eerste tweedimensionale materiaal: grafeen. Kennislink sprak met hem over de geboorte van de nanotechnologie, goeie ideeën en kikkers. Want Geim houdt ook wel van een geintje.
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.
Artistieke weergave van een DNA-molecuul dat door een minuscuul gaatje in grafeen getrokken wordt. Cees Dekker Lab TU Delft / Tremani
Bijvoorbeeld 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.
Grafeen meet weerstand
Sinds de ontdekking van grafeen in 2004 is het onderzoekers hoogst zelden gelukt om een praktische toepassing van deze koolstofvlokjes te ontwikkelen. Jos Giesbers, onderzoeker aan de Radboud Universiteit in Nijmegen, bouwde nu in samenwerking met het NMi Van Swinden laboratorium in Delft een meetapparaat waarin grafeen het mogelijk maakt om heel precies elektrische weerstanden te bepalen.
Toepassing grafeen in zicht
Grafeen is één van de pijlers van nanotechnologie. Het is het dunste materiaal mogelijk en heeft unieke eigenschappen. Maar het grootste stukje grafeen was nooit groter dan enkele micrometers. Tot nu, want wetenschappers hebben voor het eerst grafeen gemaakt dat groot genoeg is om aan een toepassing te denken. Zoals een nieuwe standaard voor het meten van elektrische weerstand.
Supertransistor van grafeen
In grafeen, een laag potloodstreep van maar één koolstofatoom dik, lijken elektronen massaloos. Natuurkundigen van de TU Delft en Stichting FOM ontdekten dat grafeen supergeleidend kan worden en maakten er een elektrische schakelaar voor superstromen van. Wereldwijd is veel interesse in grafeen, dat veel handiger elektrische eigenschappen heeft dan het veelgebruikte silicium.
Opvouwbare computers bouwen
Zuid-Koreaanse wetenschappers berichten in het vakblad Nature over een nieuwe manier om flexibele elektronica te maken van grafeen. Het grafeen dat met de nieuwe methode wordt geproduceerd is groter, buigzamer en geleidt elektriciteit beter dan eerdere vellen van dit materiaal. Flexibele elektronica gaan we onder andere terug zien in oprolbare beeldschermen en elektronisch papier.
Nanodraadjes grafeen als nieuwe transistor
Grafeen is een goede geleider, dat is bekend. Maar een elektrisch circuit maken van grafeen is toch andere koek. Amerikaanse onderzoekers is het gelukt, zo staat deze week in het vooraanstaande blad Science. Dat zet de deur open naar buigzame elektronica en het meten van elektriciteit in enkele cellen.
Zie ook:
- Koolstof Wonderland (Interessant artikel uit Scientific American 2008, Engels)