Wat is dunner dan een haar, en toch sterker dan staal?

Stel je een materiaal voor dat sterker is dan staal, doorzichtiger dan glas, en dunner dan een mensenhaar. Hint: het is geen kryptoniet. Aida Rafat, een assistent-ingenieur bij ConocoPhillips die de Qatarese finale van onze internationale wetenschapscommunicatiewedstrijd FameLab won, legt uit.

Wat is grafeen?

Het is het meest buitengewone materiaal dat, in theorie, science fiction zou moeten zijn. Het heeft talloze toepassingen en fenomenale eigenschappen, en heeft wetenschappers zeer enthousiast gemaakt.

Deze tweedimensionale wonderstof komt uit een eenvoudige bron. Grafeen is de basisbouwsteen van grafiet, een fundamentele vorm van koolstof en een overvloedig mineraal. Grafiet bestaat uit duizenden laagjes grafeen die op elkaar gestapeld zijn. We kennen het als potloodstift. Dus technisch gezien heeft iedereen die ooit een lijntje heeft getrokken met een potlood grafeen gemaakt.

Hoe hebben wetenschappers het ontdekt?

Bij toeval. En het was allemaal te danken aan plakband. In 2004 werkten twee onderzoekers van de Universiteit van Manchester, Andre Geim en Kostantin Novoselov, in het laboratorium. Ze onderzochten de elektrische eigenschappen van grafiet en besloten plakband te gebruiken om te zien of ze dunnere schilfers konden afpellen. Ze gingen door met het afpellen van steeds meer lagen van het oorspronkelijke gespleten grafietschilfertje, tot ze zich realiseerden dat ze uiteindelijk een laagje hadden dat slechts één atoom dik was. Wat ze hadden gecreëerd was grafeen, en ze wonnen later de Nobelprijs voor natuurkunde 2010 voor hun ontdekking.

Wat maakt grafeen zo bijzonder?

Grafeen heeft verbazingwekkende en unieke mechanische, elektrische, thermische en optische eigenschappen.

First, het is sterk. Vroeger dacht men dat tweedimensionale materialen gewoon uit elkaar zouden vallen. Maar in feite is grafeen het sterkste materiaal dat ooit is getest: ongeveer 200 keer sterker dan staal. Een hangmat gemaakt van één vierkante meter grafeen zou het gewicht van een dikke kat van vier kilo kunnen dragen, maar zou met 0,77 mg slechts evenveel wegen als één snorhaar van de kat (ongeveer 100.000 keer lichter dan één vierkante meter papier).

Ten tweede blijft grafeen, ondanks zijn enorme sterkte, flexibel en elastisch. Je kunt het buigen, en het is transparant: beide zeer belangrijke eigenschappen in de elektronica, zoals het betekent dat je het zou kunnen gebruiken om buigbare, transparante touchscreens voor computers en mobiele apparaten te maken.

Derde, het geleidt elektriciteit briljant. In feite bewegen elektronen sneller door grafeen dan door enig ander getest materiaal. Wetenschappers kunnen grafeen ‘dopen’ door er chemisch elektronen aan toe te voegen of te verwijderen. Hoe meer elektronen er aan grafeen worden toegevoegd, hoe meer stroom het kan produceren. Gedopeerd grafeen zou zelfs beter elektriciteit kunnen geleiden dan koper.

Vierde: grafeen is superondoordringbaar, zodat zelfs de kleinste moleculen zoals helium er niet in kunnen komen. Dit zou een zeer belangrijke eigenschap kunnen zijn, omdat het ons in staat zou stellen grafeen te gebruiken om vloeistof en gas te scheiden.

Wat is er anders aan de structuur van grafeen?

Grafeen heeft een zeer unieke structuur, als een honingraatraster van koolstofatomen. Wat ongewoon is, is de manier waarop deze atomen met elkaar interageren.

Een koolstofatoom heeft zes elektronen, waarvan er vier in zijn buitenste schil zitten, klaar om zich met andere atomen te binden om moleculen te vormen. Maar in grafeen binden slechts drie van deze elektronen zich stevig aan de naburige atomen, waardoor een uiterst sterke en hechte verbinding ontstaat. Het vierde elektron blijft ongebonden. Deze ongelijmde elektronen gedragen zich heel anders dan normaal. Ze gedragen zich als lichtdeeltjes, of fotonen, en bewegen zich met de snelheid van het licht over de grafeenplaat, waardoor grafeen fenomenale elektrische eigenschappen krijgt.

Hoe ziet grafeen eruit?

We kunnen grafeen niet met het blote oog zien. Het is het dunste materiaal ooit ontdekt. Een plak grafeen is 1000 keer dunner dan een menselijke haar. De wetenschappers die het ontdekten, konden de grafeenvlokken alleen zien omdat zij ze op een wafer van siliciumoxide hadden gelegd. Als ze een ander materiaal hadden gebruikt, hadden ze het misschien niet eens gezien.

Wordt grafeen al ergens voor gebruikt?

Vele grote bedrijven, zoals IBM en Samsung, zijn grafeen nauwgezet aan het onderzoeken. Een van de grootste uitdagingen voor de elektronica-industrie op dit moment is dat we de grenzen van silicium transistors (die elektrische signalen versterken en geleiden) aan het verleggen zijn. Met andere woorden, hoe kunnen we steeds kleinere siliciumtransistors maken, zodat bedrijven dunnere, maar krachtigere smartphones, tablets en computers kunnen produceren?

Het probleem is dat we de grens van wat we kunnen doen met siliciumtransistors al hebben bereikt. We kunnen ze gewoon niet kleiner maken. Maar met grafeen is er een groot potentieel om verder te gaan, en zelfs om transparante aanraakschermen en elektronica te maken.

Het gaat niet alleen om computers. Een van de huidige commerciële toepassingen waarin grafeen is verwerkt, is een tennisracket van een bedrijf genaamd HEAD. Het racket schijnt veel krachtiger en veel lichter te zijn – twee essentiële dingen om in een ideaal tennisracket te hebben!

Waarvoor zou grafeen in de toekomst nog meer kunnen worden gebruikt?

De transportindustrie zou grafeen kunnen mengen met een bestaand composietmateriaal, om sterkere, lichtere vliegtuigen en auto’s te maken. Vanwege zijn ondoordringbaarheid zou grafeen ook een uitstekend coatingmateriaal zijn om corrosie tegen te gaan.

Smeer een laagje grafeen op plastic, en je hebt een elektrisch geleidend plastic. Of een elektronicabedrijf zou kunnen profiteren van de flexibiliteit van grafeen en het gebruiken om een tablet te maken die je kunt vouwen als een krant, of een kleine smartphone die je op je t-shirt kunt plakken.

Grafeen kan de levensduur van een traditionele lithiumbatterij drastisch verbeteren, waardoor de oplaadtijd aanzienlijk korter wordt. Het kan worden gebruikt om zonne-energie op te slaan, of om supercapacitors te maken (gigantische batterijen die worden gebruikt in elektrische auto’s en liften).

Wetenschappers hebben het ook over het gebruik van grafeenfilters voor ontzilting, om zeewater om te zetten in drinkwater, en als een medicijnafgiftesysteem voor de behandeling van kanker.

Is grafeen gepatenteerd?

Grafeen patenteren is een van de meest heetbesproken onderwerpen in de wetenschap. Grafeen zelf kan niet worden gepatenteerd, omdat het is afgeleid van koolstof – een in de natuur voorkomend materiaal. Bovendien weten wetenschappers al sinds de 20e eeuw over grafeen, ze wisten alleen niet hoe ze het moesten isoleren.

Hoewel veel organisaties grafeenapparaten en processen om grafeen te produceren hebben gepatenteerd. Ik weet niet of de twee wetenschappers die grafeen ontdekten daar rijk van zijn geworden. Maar ze zijn wel heel beroemd geworden, en hebben de Nobelprijs gewonnen. Hun wetenschappelijke artikel over de baanbrekende ontdekking van grafeen werd uiteindelijk gepubliceerd in Science, en het artikel zelf werd opgenomen in de top 100 van meest geciteerde artikelen aller tijden. Dit is een prestatie waar iedere wetenschappelijke onderzoeker van droomt.

Aida Rafat is assistent ingenieur bij ConocoPhillips. U kunt haar zien strijden in de internationale FameLab finale op 8-9 juni 2016.