Wat is grafeen? Dit is wat u moet weten over een materiaal dat het volgende silicium zou kunnen zijn

• Tweet
• Share
• Post

Grafeen, een opkomend materiaal dat de manier kan veranderen waarop elektronische componenten worden gemaakt en computerprestaties kan helpen blijven groeien, is tegenwoordig overal in de onderzoekswereld te vinden.

Deze maand alleen al suggereerden vorderingen dat het de internetsnelheden zou kunnen opvoeren, zou kunnen dienen als een aanraakgevoelige coating en de levensduur van computers zou kunnen verlengen. Het is sterker dan diamant en geleidt elektriciteit en warmte beter dan elk ander materiaal dat ooit is ontdekt, en het zal in de toekomst waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in veel producten en processen.

Wat is grafeen?

Grafeen is gemaakt van een enkele laag koolstofatomen die aan elkaar zijn gebonden in een zich herhalend patroon van zeshoeken. Grafeen is een miljoen keer dunner dan papier; zo dun dat het eigenlijk als tweedimensionaal wordt beschouwd.

Koolstof is een ongelooflijk veelzijdig element. Afhankelijk van hoe de atomen zijn gerangschikt, kan het harde diamanten of zacht grafiet produceren. Het vlakke honingraatpatroon van grafeen verleent het vele ongewone eigenschappen, waaronder de status van sterkste materiaal ter wereld. James Hone, professor werktuigbouwkunde aan Columbia University, zei ooit dat het “zo sterk is dat een olifant, gebalanceerd op een potlood, door een vel grafeen met de dikte van Saran Wrap zou breken”, aldus de universiteit.

Deze enkele lagen van koolstofatomen vormen de basis voor andere belangrijke materialen. Grafiet – of potloodstift – wordt gevormd wanneer je grafeen stapelt. Koolstofnanobuisjes, een ander opkomend materiaal, zijn gemaakt van opgerold grafeen. Deze worden gebruikt in fietsen, tennisrackets en zelfs levende weefselengineering.

Hoe werd het ontdekt?

De kans is groot dat je grafeen al vaak in je leven hebt gemaakt. Trek een lijn met een potlood en kleine stukjes grafeen dwarrelen af. Maar niemand had zowel het gereedschap als de interesse om vrijstaand grafeen betrouwbaar te isoleren tot het begin van de jaren 2000.

Grafeen werd voor het eerst theoretisch bestudeerd in de jaren 1940. In die tijd dachten wetenschappers dat het fysisch onmogelijk was voor een tweedimensionaal materiaal om te bestaan, en daarom deden ze geen moeite om grafeen te isoleren. Tientallen jaren later nam de belangstelling toe en begonnen onderzoekers technieken te bedenken om grafiet uit elkaar te halen. Ze probeerden moleculen tussen grafeenlagen te klemmen en grafiet te schrapen en te wrijven, maar ze kwamen nooit tot één enkele laag. Uiteindelijk slaagden ze erin grafeen te isoleren bovenop andere materialen, maar niet op zichzelf.

In 2002 raakte onderzoeker Andre Geim van de Universiteit van Manchester geïnteresseerd in grafeen en daagde hij een promovendus uit om een brok grafiet te polijsten tot zo weinig mogelijk lagen. De student slaagde erin 1000 lagen te bereiken, maar kon Geim’s doel van 10 tot 100 lagen niet halen. Geim probeerde een andere aanpak: plakband. Hij bracht het aan op grafiet en verwijderde het om schilfers van gelaagd grafeen te maken. Door meer plakband af te trekken ontstonden steeds dunnere lagen, tot hij een stuk grafeen had van 10 lagen dik.

Geim’s team werkte aan het verfijnen van hun techniek en produceerde uiteindelijk een enkele laag van koolstofatomen. Zij publiceerden hun bevindingen in “Science” in oktober 2004. Geim en zijn collega Kostya Novoselov ontvingen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk.

Sinds die eerste vlokken gemaakt met tape, is de grafeenproductie in een snel tempo verbeterd. In 2009 waren onderzoekers in staat om een film van grafeen te maken met een doorsnede van 30 centimeter.

Waarom is het ongewoon?

Geim en Novoselov’s paper was zeer interessant voor andere wetenschappers vanwege de beschrijving van de vreemde fysische eigenschappen van grafeen. Elektronen bewegen ongelooflijk snel door grafeen en beginnen gedrag te vertonen alsof ze massaloos zijn, waarmee ze de fysica nabootsen die deeltjes op superkleine schaal bestuurt.

“Dat soort interactie binnen een vaste stof, voor zover iemand weet, is uniek voor grafeen,” schreven Geim en een andere beroemde grafeenonderzoeker, Philip Kim, in een artikel in Scientific American in 2008. “Dankzij dit nieuwe materiaal uit een potlood is relativistische quantummechanica niet langer beperkt tot kosmologie of hoge-energiefysica; het is nu het laboratorium binnengedrongen.”

De speciale eigenschappen van grafeen houden niet op bij vreemde fysica. Het is ook:

• Conductief: Elektronen zijn de deeltjes waaruit elektriciteit bestaat. Dus als grafeen elektronen snel laat bewegen, laat het elektriciteit snel bewegen. Het is bekend dat elektronen zich 200 maal sneller verplaatsen dan silicium, omdat ze zo weinig onderbroken worden. Het is ook een uitstekende warmtegeleider. Grafeen geleidt onafhankelijk van de temperatuur en werkt normaal bij kamertemperatuur.
• Sterk: Zoals eerder gezegd, zou een olifant met een uitstekend evenwicht door een vel grafeen moeten breken. Het is zeer sterk door het ononderbroken patroon en de sterke bindingen tussen de koolstofatomen. Zelfs wanneer stukken grafeen aan elkaar worden genaaid, blijft het het sterkste materiaal dat er is.
• Flexibel: Die sterke bindingen tussen de koolstofatomen van grafeen zijn ook erg flexibel. Ze kunnen tot op zekere hoogte worden gedraaid, getrokken en gebogen zonder te breken, wat betekent dat grafeen buigbaar en rekbaar is.
• Transparant: Grafeen absorbeert 2,3 procent van het zichtbare licht dat het raakt, wat betekent dat je er doorheen kunt kijken zonder te maken te hebben met enige schittering.

Waarvoor kan het worden gebruikt?

Het gebruik van grafeen in het dagelijks leven is niet ver weg, deels te danken aan bestaand onderzoek naar koolstofnanobuisjes – de opgerolde, cilindrische versie van grafeen. De buizen werden gepopulariseerd door een paper uit 1991 (abonnement vereist) en aangeprezen om hun ongelooflijke fysieke kwaliteiten, waarvan de meeste zeer vergelijkbaar zijn met grafeen. Maar het is gemakkelijker om grote vellen grafeen te produceren en het kan op een soortgelijke manier als silicium worden gemaakt. Veel van de huidige en geplande toepassingen voor koolstofnanobuisjes worden nu aangepast aan grafeen.

Enkele van de grootste opkomende toepassingen zijn:

• Zonnecellen: Zonnecellen vertrouwen op halfgeleiders om zonlicht te absorberen. Halfgeleiders zijn gemaakt van een element als silicium en hebben twee lagen elektronen. In de ene laag zijn de elektronen rustig en blijven zij aan de kant van de halfgeleider. In de andere laag kunnen de elektronen zich vrij bewegen, waardoor een stroom elektriciteit wordt gevormd. Zonnecellen werken door de energie van lichtdeeltjes over te brengen op de kalme elektronen, die worden opgewonden en springen naar de vrij bewegende laag, waardoor meer elektriciteit wordt opgewekt. De elektronenlagen van grafeen overlappen elkaar, wat betekent dat er minder lichtenergie nodig is om de elektronen tussen de lagen te laten springen. In de toekomst zou deze eigenschap kunnen leiden tot zeer efficiënte zonnecellen. Het gebruik van grafeen zou ook cellen mogelijk maken die honderdduizenden keren dunner en lichter zijn dan cellen die op silicium zijn gebaseerd.

  

• Transistors: Computerchips zijn afhankelijk van miljarden transistors om de elektriciteitsstroom in hun circuits te regelen. Het onderzoek is er vooral op gericht chips krachtiger te maken door er meer transistors in te stoppen, en grafeen zou zeker kunnen leiden tot de dunste transistors tot nu toe. Maar transistors kunnen ook krachtiger worden gemaakt door de stroom van elektronen – de deeltjes waaruit elektriciteit bestaat – te versnellen. Terwijl de wetenschap de grens nadert van hoe klein transistors kunnen zijn, zou grafeen de grens kunnen verleggen door zowel elektronen sneller te laten stromen als hun grootte te verkleinen tot een paar atomen of minder.
• Transparante schermen: Apparaten zoals plasma-tv’s en telefoons zijn gewoonlijk gecoat met een materiaal genaamd indiumtinoxide. Fabrikanten zijn actief op zoek naar alternatieven die de kosten kunnen drukken en een betere geleiding, flexibiliteit en transparantie bieden. Grafeen is een opkomende optie. Het is niet-reflecterend en lijkt zeer transparant. Door zijn geleidingsvermogen is het ook geschikt als coating voor apparaten met aanraakschermen. Omdat grafeen zowel sterk als dun is, kan het buigen zonder te breken, waardoor het een goede match is voor de buigbare elektronica die binnenkort op de markt zal komen.

Grafeen zou ook toepassingen kunnen hebben voor camerasensoren, DNA-sequencing, gasdetectie, materiaalversterking, waterontzilting en verder.

Wat zijn de kritieken?

Grafeen bevindt zich nog in een kinderschoenenstadium vergeleken met ontwikkelde materialen zoals silicium en ITO. Wil het op grote schaal worden toegepast, dan zal het in grote hoeveelheden moeten kunnen worden geproduceerd tegen kosten die gelijk zijn aan of lager zijn dan die van bestaande materialen. Opkomende “roll-to-roll”-, dampdepositie- en andere productietechnieken laten doorschemeren dat dit mogelijk is, maar ze zijn nog niet klaar om grafeen op elk scherm van mobiele apparaten te brengen. Onderzoekers zullen ook moeten blijven werken aan het verbeteren van de transparantie en geleidbaarheid van grafeen in zijn commerciële vorm.

Hoewel grafeen veelbelovend is voor transistors, heeft het een groot probleem: het kan de stroom van elektriciteit niet “uitzetten” zoals materialen zoals silicium, wat betekent dat de elektriciteit constant zal stromen. Dat betekent dat grafeen op zichzelf niet als transistor kan dienen. Onderzoekers zoeken nu naar manieren om het aan te passen en te combineren met andere materialen om deze beperking te overwinnen. Eén techniek bestaat erin een laag boornitride – een ander materiaal van één atoomdikte – tussen twee lagen grafeen te plaatsen. De resulterende transistor kan worden in- en uitgeschakeld, maar de snelheid van de elektronen wordt enigszins vertraagd. Een andere techniek bestaat erin onzuiverheden in grafeen in te brengen.

Grafeen komt misschien ook te laat op voor veel van zijn mogelijke toepassingen. Accu’s voor elektrische auto’s en koolstofvezels zouden met grafeen kunnen worden gemaakt, maar die zijn al afhankelijk van respectievelijk actieve kool en grafiet – twee zeer goedkope materialen. Grafeen zal voorlopig duurder blijven, en misschien nooit goedkoop genoeg zijn om fabrikanten ervan te overtuigen om te schakelen.

De wereld is pas een decennium bezig met het verkennen van wat het kan doen met grafeen. Silicium bestaat daarentegen al bijna 200 jaar. In het tempo waarin het onderzoek vordert, zouden we zeer binnenkort kunnen weten of grafeen alomtegenwoordig zal worden of slechts een volgende stap in de ontdekking van het volgende wondermateriaal.