Transparant, sterk, supergoed geleidend en het dunste materiaal ter wereld. Grafeen is een wondermateriaal met een ongekende hoeveelheid mogelijkheden.
In 2010 werd de Nobelprijs voor de Natuurkunde uitgereikt aan Andre Geim en Konstantin Novoselov die dit materiaal wisten te produceren en de eigenschappen ervan bestuderen. Bovendien stond onlangs in New Scientist een interview met Carlo Beenakker over zijn driedimensionale grafeen. Hoog tijd dus om ons er eens in te verdiepen.
1 Wat is grafeen?
Grafeen is gemaakt van koolstof en vind je terug in grafiet, het materiaal waar een potloodpunt uit bestaat. Als je je boodschappen opschrijft, schraap je een paar van die laagjes af en duwt ze op je blocnote. Eén zo’n laagje heet grafeen. De koolstofatomen erin vormen een laagje van zeshoeken waardoor het er onder een goede microscoop uitziet als kippengaas. Het wordt daarom ook wel nanokippengaas genoemd.
De ongefilterde waarheid: de wetenschap achter het effect van cafeïne
Volgens onderzoek naar cafeïne zijn koffie en decaf goed voor de gezondheid, maar kunnen energiedrankjes juist gevaarlijk zijn.
Het is het platste laagje dat je je maar kunt bedenken, slechts één atoomlaag dik. Zulk dunne plakjes heten tweedimensionaal materiaal. In tegenstelling tot andere tweedimensionale materialen is grafeen sterk en stabiel. Doordat het zo dun is, is het ook flexibel en transparant. Je kunt het laten trillen en opvouwen zonder dat het breekt. Daarnaast geleidt het elektriciteit erg goed omdat de elektronen erover kunnen bewegen alsof ze massaloos zijn. Dat maakt het uitermate geschikt voor elektronica. Wetenschappers zijn de afgelopen jaren dan ook enthousiast aan het experimenteren geslagen om alle bijzondere eigenschappen beter te begrijpen. En de computerindustrie kijkt geïnteresseerd mee.
2 Hoe is grafeen ontdekt?
De winnaars van de 2010 Nobelprijs waren niet de ontdekkers van grafeen, dat was Philip Russell Wallace. In 1947 zag hij dat grafiet uit laagjes bestaat en berekende hij dat elektronen hierin massaloos kunnen bewegen.
Er volgende vele pogingen om een laagje grafeen los te peuteren uit grafiet, maar pas in 2004 lukte het Andre Geim en Konstantin Novoselov. De methode bleek verrassend eenvoudig, maar niet zo eenvoudig als de kranten destijds deden geloven. Zij schreven dat de onderzoekers een streepje potlood op papier zetten en met een stukje plakband daar een laagje grafeen van los konden trekken. Zo simpel was de methode helaas niet.
Er werd geen potlood, maar uiterst zuivere laboratoriumgrafiet gebruikt, genaamd HOPG. De wetenschappers bewerkten dit en vervolgens plukten ze er inderdaad met plakband laagjes vanaf. Daarna volgden nog enkele bewerkingsstappen voordat ze het materiaal onder een telescoop legden en concludeerden dat ze de eerste waren die grafeen zagen.
3 Waarvoor kan grafeen gebruikt worden?
Het is het dunste materiaal op aarde, maar tegelijkertijd ook een van de sterkste. Het is flexibel, transparant en het geleidt stroom en warmte als geen ander. De lijst met mogelijke toepassingen voor dit supermateriaal is dan ook eindeloos. Een van de eerste toepassingen van grafeen was het racket van proftennisser Novak Djokovic. Als we de reclame van het tennismerk moeten geloven, zorgde dit ervoor dat hij snellere ballen kon slaan dan ooit.
Meer alledaagse toepassingen (voor de niet-tennissers onder ons) zijn onder meer oprolbare schermen, flexibele zonnecellen en computerchips. De wet van Moore – die stelt dat het aantal transistoren op een computerchip elke twee jaar verdubbelt – is namelijk in gevaar. Het einde van de optimalisatie van silicium begint in zicht te komen. Grafeen kan uitkomst bieden. Doordat elektronen zich er als massaloze deeltjes overheen bewegen, is het zeer geschikt om transistoren van te maken. Deze werken sneller en functioneren beter bij hogere temperaturen dan silicium.
Ook in de medische wereld zijn toepassingen voor grafeen bedacht. Het is niet giftig en kan daarom gebruikt worden in het lichaam, bijvoorbeeld om medicijnen op specifieke plekken af te leveren. Dankzij het relatief grote oppervlak van grafeen, kunnen er (kanker)medicijnen aan vast gemaakt worden. Deze constructie beweegt als een vliegend tapijt door de bloedbaan en de werkzame stoffen laten pas los van het grafeen zodra ze zich bij de zieke cellen bevinden.
Deze en andere medische toepassingen zijn nog in ontwikkeling, maar kleinschalige tests hebben al veelbelovend resultaten opgeleverd.
4 Welke producten met grafeen zijn er op de markt?
Alleen al tussen 2008 en 2012 waren er ruim 7000 patentaanvragen gebaseerd op grafeenonderzoek. Er worden miljoenen in gestoken door bedrijven en onderzoeksinstellingen. Voor de gewone consument heeft dit tot nu toe niet veel opgeleverd. Er zijn enkele bedrijven die claimen gebruik te maken van het materiaal. Het is soms de vraag in hoeverre dat waar is. Zo claimt het Chinese bedrijf Powerbooster Technology dat ze op grafeen gebaseerde, flexibele touchscreens te verkopen aan diverse Chinese smartphoneproducenten. Dit is alleen nog niet bevestigd.
Daarnaast is er een aantal bedrijven die het materiaal verwerken in hun sportuitrustingen: HEAD produceert tennisrackets en ski’s met grafeen en bij Catlike zijn fietshelmen en fietsschoenen met grafeen verkrijgbaar.
Een andere toepassing die zijn weg naar de markt gevonden heeft is elektronische inkt, gemaakt van grafeen. Hiermee kunnen schakelingen snel en eenvoudig geproduceerd worden.
5 Waarom wordt grafeen zo weinig gebruikt?
De mogelijkheden met het nanokippengaas lijken oneindig en het werd al in 2004 geproduceerd. Waarom is er dan pas een handvol producenten op de markt met grafeen? Grafeen blijkt lastig goedkoop en in grote hoeveelheden te produceren. De eerste paar jaar waren de produceerbare brokken slechts enkele millimeters groot. Pas in 2010 kreeg een groep Europese onderzoekers het voor elkaar kristallen van grafeen te laten ‘groeien’. Dit leverde stukken op van ‘wel’ 50 millimeter. Sindsdien worden er steeds meer methodes ontwikkeld om het nanokippengaas commercieel aantrekkelijk te maken, maar het kost tijd.
Voor de ongeduldigen onder ons is belangrijk om te realiseren dat de wetenschap pas tien jaar bezig is met grafeen. Daarom zal het nog even duren totdat de toepassingen hun weg naar ons vinden. Maar wie weet kunnen we ons over dertig jaar geen wereld meer voorstellen zonder oprolbare mobieltjes en medicijnen getransporteerd door grafeen.
Lees verder: