Grafeen, een atomair vlak, heeft een hele resum aan opmerkelijke eigenschappen.
Eén ervan, vaak genoemd maar voorlopig zelden benut, is de opmerkelijke kracht. Het twee dimensionale koolstofvel heeft werkelijk een recordbrekende kracht, 200 keer groter dan staal, en een treksterkte van 130GigaPascals (GPa).
Om een beter idee te geven aan die cijfers:
Probeer je een materiaal voor te stellen dat duizenden kilometers aan zijn eigen gewicht kan dragen. Vandaar kwam enigszins het originele idee ooit vandaan om een ruimtelift te bouwen.
Nu, onderzoekers aan het KAIST (Korean Advanced Institute of Science and Technology) hebben voordeel gehaald uit de treksterkte van grafeen door het te gebruiken in een samenstelling bestaande uit koper en nikkel.
Grafeen maakt het koper 500 maal zo sterk dan het onbewerkte, niet-composietmateriaal (1.5 GPa). Nikkel, iets harder op zichzelf, tot 180 keer zo sterk (4 Gpa).
Dit is nog een lange weg af ten opzichte van de treksterkte van 130 GPa die grafeen kan hanteren – dat is ongeveer 200 keer sterker dan staal (600 MPa) – maar het is nog steeds heel, heel sterk.
Met 1,5GPa is het koper-grafeen composiet ongeveer 50% sterker dan titaan, of ongeveer drie keer zo sterk als structurele aluminiumlegeringen.
Dit werk is een belangrijke doorbraak omdat eerdere pogingen om grafeen te gebruiken in samengestelde metalen niet resulteerden in verhoogde kracht in het gedopeerde materiaal.
In het KAIST onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, maakten de onderzoekers gebruik van een CVD proces (Chemical Vapour Deposition) om monolagen van grafeen te groeien (één-atoom-dikke lagen). De monolagen worden vervolgens afgezet op een dunne film van metaal (koper of nikkel), terwijl een andere laag van metaal vervolgens wordt ingedampt (depositie methode) bovenop het grafeen.
Dit proces wordt herhaald, tot je een sandwich verkrijgt bestaande uit een paar lagen van metaal en grafeen.
Verschillende plaatdiktes werden getest (tussen 70 nm en 300 nm) en er werd bevonden dat dunnere lagen resulteren in veel sterker composieten. Omdat grafeen zo dun is is de gebruikte hoeveelheid heel erg klein.
De reden dat deze composieten zo sterk zijn is omdat het grafeen de metaalatomen stopt om ‘uit te glijden’ of te ontwrichten wanneer ze onder stress komen te staan, waardoor er minder snel een breuk ontstaat. Het komt er op neer dat de metaalatomen fysiek niet door het super-sterke grafeen kunnen – dus geen breuken kunnen vormen.
De onderzoekers beweren trouwens dat dit de eerste keer is dat een meerlaags metaal-grafeen composietmateriaal – dat de buitengewone kracht van grafeen exploiteert – succesvol werd geproduceerd.
“Het resultaat is verbluffend als 0,00004% in het gewicht van grafeen de sterkte van de materialen met honderden keren verhoogd,” zei Professor Seung Min Han in een persbericht.
Als het proces op industriële schaal kan gedupliceerd worden zou het een uitstekende manier kunnen zijn om auto’s en vliegtuigen lichter, en daardoor ook zuiniger te maken.
Eerder werd al een beraming gemaakt dat een nanocoating op vliegtuigen, die het brandstofverbruik vermindert door slechts 2 procent, wat resulteerde in maar liefst 22 miljoen US$ aan besparingen per jaar voor slechts één luchtvaartmaatschappij.
Volgens Han, één van de KAIST onderzoekers, kan dit grafeen-metaal composiet ook gebruikt worden als coating in de bouw van kernreactoren of andere constructieve toepassingen.
Bron: Nature.com