Grafeen – materiaal van de toekomst

Kort: Grafeen is een molecule, een kristal, een enkele laag van atomen bestaande uit het element koolstof gerangschikt in een repetitief hexagonaal patroon.

Volg de introductie. (Desktop aangeraden)

Andre Geim en Konstantin Novoselov waren de eerste wetenschappers die in staat waren om een enkele laag grafeen te isoleren in 2003 – het onderzoeksartikel verscheen in 2004 – met behulp van een klompje grafiet en wat plakband.
Reeds in 2010 kregen beide wetenschappers de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de bijdrage die ze leverden aan het onderzoek naar het wondermateriaal.

Het is zeer zeldzaam dat een ontdekking zo snel met een Nobelprijs in aanmerking komt. Grafeen is dan ook niet zomaar een zoveelste nieuw materiaal, maar reikt veel verder.

Veel vroeger in de geschiedenis werd eerst het theoretisch bestaan van grafeen onderzocht, door PR Wallace. Om precies te zijn, in 1947, als uitgangspunt voor het begrijpen van de elektronische eigenschappen van het complexe driedimensionale grafiet.

De geheimen van het wondermateriaal liggen verborgen in de laagdimensionale wereld en het feit dat de molecule uit simpel koolstof bestaat, terwijl de atomen netjes gepositioneerd zijn in een intrigerende geometrische vorm: De hexagon, de meest stabiele kristallijne vorm.

Grafeen bestaat uit zuiver koolstof. Dat is een immens belangrijk element in de creatie van ons universum. Koolstof alleen is goed voor 18% – en in combinatie met water (een vormsel van water- en zuurstofatomen) zelfs voor meer dan 90% – van de elektrische soep dat ons menselijk lichaam weet te binden.

Andere bekende materialen uit koolstof zijn grafiet, kool en diamant zijnde 3D varianten. Buckyballs en koolstofbuisjes zijn respectievelijk 0D en 1D. Grafeen brengt men onder in de categorie 2D materialen.

Indien je potlood (Nr2), papier en plakband bij de hand hebt kan je zelf aan de slag om het revolutionaire wondermateriaal te maken. Meer als potlood, papier en tape is er niet nodig.

Doe een stukje van de punt van het potlood, of breng een potloodstreep aan op een papier. Bevestig daarop de klevende plakband, trek die los en breng de uiteinden van de tape verschillende keren naar elkaar toe.

Elke keer je deze mechanische beweging doet verdwijnen er laagjes van het bulk grafiet dat aan de plakband hangt. Dit gaat zo voort van dun grafiet tot meerlaags grafeen, om uiteindelijk uit te monden bij een enkele atomaire laag grafeen.

Grafeen zelf is eigenlijk beduidend op een enkelvoudige laag ( en/of maximum 6 – 10 lagen), terwijl het ook als een soort verzamelnaam wordt gebruikt voor de gehele nieuwe technologie.

Het komt wel vaker voor dat de term onterecht wordt gebruikt in een artikel, aanbieding of publicatie en het gebruikte materiaal eigenlijk dun grafiet is.

De verschillende aparte lagen van het grafeen worden in de hoogte (of dikte) gebonden door Van der Waals krachten. De verscheidene lagen die het grafiet vormen (3D) liggen zo gestapeld dat elke opeenvolgende laag een atoom heeft in het middelpunt van de vorige en volgende laag. Drie miljoen afzonderlijke opeengestapelde lagen vormen een hoogte van 1 millimeter. Een klomp grafiet bestaat uit miljarden lagen.

In beeldspraak kunnen we het grafiet vergelijken met een brood met sneden van grafeen. Door het combineren of stapelen van verschillende sneden uit andere materialen kunnen wetenschappers nog andere materialen creëren, hybrides, met elk hun eigen speciale eigenschappen en karakteristieken.

Er zijn nog laagdimensionale materialen die in de toekomst zullen doorbreken, materialen als molybdeniet, boornitride, siliceen en tal van samengestelde hybrides.

Het materiaal grafeen behoort echter tot een categorie dat geen gelijken kent.

De honingraat uit koolstof is dun, sterk, supergeleidend, flexibel en rekbaar, poreus en diamagnetisch, transparant, zelfherstellend, ultra-licht, roestwerend en resistent tegen hoge temperaturen.

De mogelijke gebruiken van het materiaal variëren van het verstevigen van constructies tot het vervaardigen van geprinte flexibele zonnepanelen of -ramen, waterfilters, bionische en organische lichaamsonderdelen, ruimteliften, kwantumcomputers, artificieel bloed, buigbare smartphones, en vooral nieuwe zaken, toepassingen die we zelfs nog moeten ontdekken.

Een opsomming beduidt dat het de grote der aarde zijn die investeren in onderzoek en onderzoek naar toepassingen in dit atomaire vel koolstof: IBM, Intel, Boeing, Samsung, NASA, LG, Nokia, Honda, HEAD, Vittoria, BASF, Toyota, GM, Energizer, Sony, Lockheed, Apple, Tesla Motors, … . Het is een lijst die blijft groeien.

In het verleden bleek echter dat grafeen zich niet zonder slag of stoot tot halfgeleider laat ombouwen zonder aan eigenschappen te verliezen. (dit als we de elektronische eigenschappen van het grafeen willen benutten.)

Grafeen beschikt namelijk niet over een natuurlijke energiekloof of bandgap, een energiebereik in een vaste stof waar geen elektrontoestanden kunnen voorkomen. En die is nodig om stroom een halt kunnen toe te roepen. Men kan het voorstellen als een aan/uit-knop. Grafeen heeft geen uit-knop als we het zo kunnen stellen.

Om die reden valt puur grafeen ook niet zomaar te benaderen met boolean-logica. Dat is de logische benadering die we sinds de opkomst van de transistor gebruiken om elektronische apparaten en computers aan te spreken door middel van twee simpele integers, 0 of I. Om die simpele reden moet wetenschappers het grafeen dopen, of onder druk brengen, of verdraaien, of blootstellen aan een magnetisch veld om die energiekloof te bekomen.

Toch kan het ontbreken van die energiekloof een voordeel spelen in de wereld van de kwantumfysica, waar ze de spin van het elektron willen gebruiken om de staten te bepalen, en daaraan gekoppeld hoe iets moet werken, in plaats van de lading van het elektron.

Qua gezondheidsrisico’s : Grafeen is puur koolstof en dus niet giftig voor de mens. Koolstofgebaseerd leven weet je. Koolstof is een veilige haven voor de mens. Uranium bijvoorbeeld, zou dan weer geen veilige haven zijn.

Toch is er een keerzijde aan de medaille.

Mogelijke problemen kunnen ontstaan afhankelijk hoe de wereld dit nieuwe materiaal zal brengen, tot in welke mogelijke schadelijke vormen, en met wat exact de molecule kan binden.

Tijdens het productieproces van sommige top down methodes (een benaming van de methode waar wetenschappers met iets starten en dit ‘afbouwen’) kunnen schilfers ontstaan, kleine deeltjes die de longen binnendringen en longblaasjes laten verstoppen. (Wat wellicht aan het vroegere asbest-gevaar doet herinneren). Mogelijk kunnen deze deeltjes ook schade berokkenen bij productiemedewerkers of andere personen die ze inademen, omdat gekartelde schilfers cellen kunnen penetreren en ontstekingen veroorzaken.

Het materiaal kan echter ontgint worden op verschillende manieren: enkele daarvan zijn mechanische afschilfering – zoals de plakband – en ‘cold graphite destruction’ of intercalatie van grafiet, beide zijn top down methodes. Maar het materiaal kan ook gegroeid worden via CVD of Chemical Vapor Deposition, een compleet ander methode. CVD is een chemisch proces waarbij gassen op hoge temperaturen worden gebruikt om vaste stoffen te verwekken. CVD – een bottom-up concept – wordt wel vaker gebruikt in de halfgeleiderindustrie, om computerchips te maken.

Het wondermateriaal kwam eigenlijk als een geschenk voor wetenschappers en varieert zich over tal van gebieden doorheen de gehele wetenschappelijke sector. Van materiaalkunde tot kosmologie, tot chemie, kwantumfysica en -mechanica, … . De mogelijkheden en het potentieel van deze wondermaterie is eindeloos.

Grafeen is een mobiele bureau-versie van CERN ( de reusachtige installatie in Geneve waar wetenschappers op zoek gaan waar elektronen hun massa halen )

Het is iets complexer als de volgende voorstelling maar neem nu het brood van grafiet: Telkens het grafiet een laagje dunner zou worden (door er de toplaag af te halen) verliezen de elektronen aan weerstand. Tot je uiteindelijk een snede grafeen kan overhouden waar elektronen zich massaloos over het oppervlak bewegen, met amper weerstand, en zich gedragen als kosmische straling.

Naast het peperdure CERN kunnen wetenschappers dus ook de transitie van grafiet naar grafeen – en omgekeerd- bestuderen om die vraag te beantwoorden.

Conclusie: Science-fiction werd science-fact.