grafeen

Elementaire magneetjes in grafeen. Bron: UC-R.

Onderzoekers magnetiseren grafeen permanent

Voor het eerst is het gelukt om stukjes grafeen een permanente magnetische lading te geven, zonder dat het atoomdikke kippengaas van koolstofatomen moet worden vervuild met andere atomen. Wat zijn de mogelijkheden?

Duur wondermateriaal
Sinds de ontdekking van grafeen heeft het materiaal al de nodige records gebroken. Zo is het het sterkste materiaal ter wereld en heeft het ook het hoogste specifieke oppervlak. Slechts één ding weerhoudt de industrie van de massale toepassing van grafeen: de lastige en zeer kostbare productiemethode, al zijn ook op dit terrein nu doorbraken bereikt die de kosten met factor 1000 kunnen verminderen. Wat grafeen, zelfs na deze prijsdaling met €1 miljoen per vierkante meter nog steeds erg duur maakt. Maar gezien het grote aantal slimme mensen dat zich nu vastbijt op een goedkope productiemethode, zal dat niet al te lang meer duren. Slagen we erin deze kosten te laten dalen tot, zeg, €1 per vierkante meter, dan is het aantal toepassingen werkelijk krankzinnig groot.

Elementaire magneetjes in grafeen. Bron: UC-R.
Elementaire magneetjes in grafeen. Bron: UC-R.

Magnetisch grafeen
Aan deze toepassingen kan er nu eentje worden toegevoegd: het opslaan en verwerken van informatie.  Jing Shi en zijn mede-onderzoekers van de  University of California, Riverside, hebben grafeen met magnetische eigenschappen gecreëerd. Hiervoor plaatsten ze een stukje grafeen op het magnetische mineraal yttrium-ijzer granaat (YIG in de afbeelding). Er zijn andere materialen die de magnetische eigenschappen van grafeen kunnen veranderen, maar yttrium-ijzer granaat geleidt geen stroom. Daardoor worden de aantrekkelijke elektrische eigenschappen van grafeen niet veranderd. Als het grafeen weer wordt losgepeuterd, blijkt het nog steeds magnetisch te zijn. Omdat het grafeen chemisch gezien ongewijzigd is, moet het grafeen zelf magnetisch zijn geworden.

Spintronics
Onderzoekers zien een belangrijke toepassing in spintronics: elektronica, waarin signalen niet door worden gegeven door bewegende elektronen, maar ompolende magneetveldjes. Isospin is een kwantumeigenschap, die ruwweg overeenkomt met draairichting. Deeltjes en quasideeltjes met isospin kunnen twee, tegengestelde, richtingen op tollen, met slechts één snelheid. We praten dan dus over elektronica op atoomschaal, een factor 100 kleiner dan chips in 2015 , of factor 10.000 meer eenheden per vierkante mm. Grafeen zou ook gebruikt kunnen worden als magnetisch opslagmedium van informatie. Spintronics is ook veel zuiniger dan klassieke elektronica omdat elektronen niet stromen en er dus nauwelijks afvalwarmte wordt geproduceerd. Je smartphone of laptop kan dan opgeladen worden door bewegingen  die je maakt.

Bronnen
Researchers Make Magnetic Graphene – UC Riverside research could lead to new multi-functional electronic devices, UCR Today, 2015
Jing Shi et al., Proximity-Induced Ferromagnetism in Graphene Revealed by the Anomalous Hall Effect, Physics Review Letters, 2015

Infraroodopname van een huis in Phoenix, Arizona. Verdwalen we straks nooit meer in het dinker?

‘Infrarood zien met contactlenzen mogelijk’

Met behulp van grafeen zijn Zhaohui Zhong en zijn onderzoekers van de universiteit van Michigan er in geslaagd iets te creëren wat tot nu toe onmogelijk leek: infraroodstraling waarnemen met een sensor op lichaamstemperatuur. Verwisselen we straks ’s avonds de contactlenzen voor infraroodlenzen?

Waarom is infraroodstraling zo lastig waar te nemen?
Alles om ons heen zendt elektromagnetische straling uit. Voorbeelden van elektromagnetische straling zijn licht, infraroodstraling (met een langere golflengte) en radiostraling (met zeer lange golflengtes, tot vele kilometers). Hoe warmer een voorwerp, hoe kortgolviger de elektromagnetische straling die het uitzendt. Zeer heet ijzer, bijvoorbeeld, gloeit rood of zelfs wit. Van koeler ijzer is alleen de infrarode straling waar te nemen als stralingswarmte.  Voor nachtzicht is uiteraard vooral die infrarode straling interessant, die door dingen rond omgevingstemperatuur uit worden gezonden. Het probleem hier is dat de infraroodkijker zelf ook de omgevingstemperatuur heeft, en dus ook infraroodstraling uitzendt. Dit kon alleen opgelost worden door het meetapparaat te koelen, wat infraroodapparatuur log en duur maakt.

Infraroodopname van een huis in Phoenix, Arizona. Verdwalen we straks nooit meer in het dinker?
Infraroodopname van een huis in Phoenix, Arizona. Verdwalen we straks nooit meer in het dinker?

Grafeen
Al eerder was bekend dat grafeen, de al vaak op Visionair.nl aan de orde gekomen koolstoflaag van  één atoom dik, reageert op het infraroodspectrum op kamertemperatuur. Het probleem is echter dat grafeen niet gevoelig genoeg reageert om een elektrisch signaal af te geven dat in een bril of ander waarneeminstrument kan worden gevoed. Deze gevoeligheid is een honderdste tot een duizendste van wat nodig is om dergelijke apparaten aan te sturen, aldus Zhong.

Indirecte meting
Zhong en zijn collega’s wisten daarom, dat ze iets beters moesten verzinnen dan de gebruikelijke methode, die neerkomt op het detecteren van de elektronen, die in beweging komen als infrarood licht grafeen raakt. Hiervoor maakten ze gebruik van een dubbel laagje grafeen, gescheiden door een isolerend laagje. Als infraroodlicht het bovenste laagje raakt, worden er elektronen verplaatst waardoor er positieve en negatieve gebiedjes ontstaan. Deze gebiedjes beïnvloeden de elektrische stroom in de onderste grafeenlaag. Met opmerkelijke resultaten. Volgens de onderzoekers kon de grafeendetector het lastige midden-infraroodspectrum (het spectrum rond kamertemperatuur) even goed waarnemen als bestaande apparatuur, zonder de logge koeleenheid. 

Het systeem is maar enkele atoomlagen dik, en dus zo dun dat het zonder problemen in bijvoorbeeld een smartphone of zelfs contactlenzen verwerkt zou kunnen worden om  infrarood zicht mogelijk te maken. Nachtzicht gaf de Amerikanen een beslissend voordeel in hun recente oorlogen, maar deze technologie kan zo goedkoop worden dat ook reddingswerkers en ander civiel personeel hier over kan beschikken.

Bronnen
1. Thermal vision: Graphene light detector first to span infrared spectrum, Michigan News, 2014
2. Zhaohui Zhong et al., Graphene photodetectors with ultra-broadband and high responsivity at room temperature, Nature Nanotechnology, 2014

De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.

‘Grafyn vaak beter dan wondermateriaal grafeen’

Grafeen is maar een enkele variant van een groep uit koolstof bestaande platte moleculen. Grafynen bijvoorbeeld blijken een aantal interessante eigenschappen te hebben die op bepaalde punten die van grafeen zelfs overtreffen. Is grafeen nog maar het topje van de ijsberg?

Een materiaal dat tegelijkertijd zo sterk als diamant is en atoomdik. Een goede geleider, vergelijkbaar met een metaal in bepaalde gevallen, makkelijk vervormbaar en nog enkele andere unieke eigenschappen, zoals toepassing in batterijen. Geen wonder dat aan de ontdekkers van grafeen in 2010 de Nobelprijs natuurkunde is toegekend.

‘Grafyn geleidt stroom maar in één richting’
Toch blijkt uit nieuwe computersimulaties dat een weinig bekend verwant materiaal, grafyn, in sommige opzichten interessanter kan zijn dan grafeen. Uit de simulaties blijkt dat de geleidingelektronen in bepaalde typen  grafyn, net als in grafeen, extreem snel reizen, maar, uiterst interessant, slechts in één richting. Van deze eigenschap kunnen technici handig gebruik maken om bijvoorbeeld diodes (gelijkrichters) en snellere transistoren (essentiëkle onderdelen in vrijwel alle elektronica, waaronder computerchips) te maken, aldus de ontdekker theoretisch chemicus Andreas Görling van de Duitse universiteit van Erlangen-Neurenberg. Nu moet met allerlei kunst- en vliegwerk het éénrichtingsverkeer, denk aan het combineren van elektronrijke en arme materialen, kunstmatig opgewekt worden wat de productie arbeidsintensief maakt. Door dit nieuwe materiaal hoeft dat niet meer. Ook werken deze onderdelen veel betrouwbaarder omdat ze van nature de eigenschap al hebben.

Grafeen: een soort atomair kippengaas. Bron: Wikimedia Commons
Grafeen: een soort atomair kippengaas. Bron: Wikimedia Commons

Wat zijn grafeen en grafyn?
Grafeen krijgt zijn bijzondere eigenschappen door zijn afwijkende structuur. Grafeen bestaat uit een vlak van aan elkaar grenzende zeshoeken, met in elke punt van elke zeshoek een koolstofatoom. Een soort atomair kippengaas. Koolstof heeft vier vrije bindingselektronen, maar in grafeen worden er maar drie gebruikt. Het gevolg is dat de bindingen heen en weer wisselen tussen enkele en dubbele binding, waardoor deze extra sterkte krijgen en het materiaal nauwelijks uit elkaar getrokken kan worden.

In grafyn komen ook C=C bindingen voor. Grafynen hebben dan ook niet het regelmatige zeshoekige honingraatpatroon van grafeen. Omdat de dubbele en driedubbele bindingen op allerlei plaatsen kunnen voorkomen, zijn er een enorm aantal potentiële grafynen – met elk andere eigenschappen. Theoretisch chemici doen al sinds de tachtiger jaren onderzoek naar grafynen, maar pas nu is er voor het eerst naar de elektronische eigenschappen gekeken. Elektronica ligt namelijk ver af van de belevingswereld van chemici.

De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.
De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.

Dirac kegels
In de meeste elektrische geleiders is de energie van elektronen gelijk aan het kwadraat van hun impuls (dat is massa maal snelheid). De unieke structuur van grafeen maakt dat de elektrische energieniveaus in zogeheten Dirac kegels zijn gestapeld. Het puntje waar beide kegels samenkomen is een vaste combinatie van impuls en energie, m.a.w. elektronen in grafeen hebben daarom altijd dezelfde, hoge, snelheid. Deze bedraagt een significante fractie van de lichtsnelheid.

Görling’s groep heeft deze eigenschappen nu in een computersimulatie bestudeerd, Hierbij ontdekten ze in een bepaalde grafyn - 6,6,12-grafyn,wat een rechthoekig rooster heeft, er nog steeds Dirac kegels bestaan, maar dan in een verwrongen, samengeperste vorm. Het gevolg: elektronen bewegen liever in een bepaalde richting dan in een andere richting.

Nu nog de praktijk
Wel zegt een computersimulatie niet alles. Dit type grafyn zal in werkelijkheid na moeten worden gebouwd en labtests zullen dan uitwijzen of het computermodel klopt. Volgens theoretisch vaste-stof fysicus Mikhail Katsnelson van de Radboud University Nijmegen zijn inderdaad experimenten het definitieve bewijs, maar is de gebruikte techniek, dichtheid-functionele berekeningen, behoorlijk betrouwbaar. Als voorbeeld geeft hij gehydrogeneerde grafeen, een type grafeen dat gebruikt wordt om transistoren te maken. Dit was eerst voorspeld door density-functionele berekeningen en daarna experimenteel geobserveerd.

Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Grafeen komt van nature voor in grafiet, maar tot nu toe is slechts één type grafyn ook daadwerkelijk gesynthetiseerd en dat was niet het 6,6,12-grafyn van Görlings groep. Görling hoopt nu dat synthetisch chemici de handschoen op zullen pakken en zullen proberen het veelbelovende 6,6,12 grafyn in elkaar te knutselen.

Kortom: het lijkt er dus op dat het wondermateriaal grafeen nog maar het topje van de ijsberg vertegenwoordigt. Er ligt een compleet onmbekende klase van nieuwe high-tech materialen op ons te wachten met vermoedelijk allerlei nog onbekende, maar zeer nuttige elektronische en andere eigenschappen.

Bron:
Graphyne Could Be Better Than Graphene, Science Magazine (2012)

Nanosensoren op zenuwcellen zijn nu realiteit. Een stap naar uploaden van onze geest in een computer.

Nanosensor leest hersencel

Onsterfelijkheid door het uitlezen van het menselijk brein en de informatie opslaan in een computer, is weer een stapje dichterbij gekomen. Ook komen praktische hersenimplantaten nu wel heel dichtbij. Dit alles dankzij een biocompatibele array van grafeentransistoren, die van een individuele lichaamscel de signalen kan beluisteren.

Nanosensoren op zenuwcellen zijn nu realiteit. Een stap naar uploaden van onze geest in een computer.
Nanosensoren op zenuwcellen zijn nu realiteit. Een stap naar uploaden van onze geest in een computer

Ruisloze elektrode dankzij grafeen
Onderzoekers van de technische universiteit van München en het Jülich Onderzoekscentrum is het voor de eerste keer gelukt om met een grafeen-gebaseerde transistorarray een lichaamscel te ‘beluisteren’. Belangrijk, want grafeen is in tegenstelling tot silicium bio-compatibel en kan dus veilig worden toegepast in de hersenen. Eerdere pogingen met silicium lukten ook, maar deze techniek is een dood spoor: deze allereerste experimentele sensor van grafeen deed het al even goed als de allerbeste silicium sensor. Silicium is ook te ruisgevoelig voor betrouwbare communicatie met individuele zenuwcellen. Aantrekkelijke kanten van grafeen: het is elektronisch hoogwaardig, chemisch stabiel en biologisch inert, kan gemakkelijk op buigzame ondergrond worden verwerkt en zal, verwacht men, tegen lage kosten op grote schaal worden geproduceerd.

Laagje hartcellen gekweekt op zestien sensors
De array bestond uit zestien zogeheten graphene solution-gated field-effect transistors (G-SGFETs), afgezet op koperfolie door opdamping en daarna afgewerkt met de bekende etstechnieken uit de chipsindustrie. Veranderingen in de elektrische en chemische omgeving beïnvloeden direct de transistors: de stroom door de transistor wordt doorgelaten of juist afgeknepen. Bovenop deze array kweekten de onderzoekers een laagje cellen met eigenschappen als die in de hartspier. De eigenschappen van deze cellen zijn goed bekend. De onderzoekers merkten dat de transistors precies die elektrische signalen doorgaven die deze cellen gewoonlijk afgeven.  Kortom: de transistors werkten nauwkeurig, nu al even nauwkeurig als de beste silicium sensoren. Ook merkten ze een hogere impulsfrequentie als ze bloot werden gesteld aan het stresshormoon norepinefrine. Ook weer zoals deze cellen gewoonlijk doen.

Hersenimplantaten in ontwikkeling
De onderzoekers willen nog meer ruis verwijderen en de techniek naar buigzame dragers overzetten, om zo ook nauwkeuriger verschillende plekken op de cellen  af te kunnen lezen. De meest interessante aanhechtingspunten zijn uiteraard dendrieten, de lange zenuwbanen die de ene zenuwcel met de andere verbinden. Je zou met sensoren die klein en gevoelig genoeg zijn, elk neuron in het brein af kunnen lezen. Of, gemakkelijker, signalen naar neuronen sturen. Bij patiënten met hersenziekten als Alzheimer degenereren bepaalde hersengebieden omdat ze geen elektrische signalen meer van andere hersencellen krijgen, terwijl ze zelf nog gezond zijn. Met een hersenimplantaat kan je dat voorkomen. Nog spectaculairder is een computer-hersen interface. Zo zou je in een fractie van een seconde ingewikkelde berekeningen kunnen uitvoeren. Dit is echter nog steeds zeker tien jaar in de toekomst.

Kunnen blinden in de toekomst weer zien?
Op dit moment werken onderzoekers samen met het Parijse Vision Institute aan biocompatibiliteit van grafeenlagen voor de netvliescellen van blinden (die hierdoor hopelijk uiteindelijk weer zullen kunnen zien) en het Europese onderzoeksprogramma NEUROCARE, dat zich toelegt op het ontwikkelen van buigzame hersenimplantaten op basis van grafeen en andere nanokoolstofverbindingen.

Bron: 
Lucas H. Hess et al., Graphene Transistor Arrays for Recording Action Potentials from Electrogenic Cells, Advanced Materials 2011

Doorbraak: wetenschappers ontwikkelen eerste printbare kwaliteitselektronica ooit

Je nieuwe elektronica gewoon downloaden en uitprinten is nu mogelijk geworden. Zonder dat er een gram metaal aan te pas komt, dankzij een doorbraak bereikt aan de vooraanstaande Engelse universiteit Cambridge.

Elektronica uit de printer
Het begon met drukken, ooit nog het domein van de weinige bedrijven met een offsetdrukpers. Nu voor de meesten mogelijk met een eigen inkjetprinter. Ook 3D printing wordt steeds populairder. Geen wonder. Een 3D printer kan een voorwerp laag voor laag afdrukken. Ideaal voor het maken van prototypes uiteraard. Niet voor niets maken industrieel ontwerpers hier veel gebruik van, maar je kan er ook andere dingen mee doen. Bonbons printen met chocolade, bijvoorbeeld. Ook elektronica kan je printen met speciale elektrisch geleidende inkt. Deze bevat geleidende polymeren, een soort plastic. Dat zonder een miljarden kostende fabriek.

Grafeen verstopte de printerkop
Er is alleen wel een probleem. Geprinte elektronica is veel slechter dan elektronica op basis van silicium, omdat het materiaal minder goed geleidt. Dat wil zeggen: tot nu toe, want Andrea Ferrari en zijn collega’s van Cambridge zijn er nu voor het eerst in geslaagd de geleidende polymeren te vervangen en/of te versterken met grafeen. Grafeen, een soort kippengaas van koolstofatomen waaruit grafiet bestaat, geleidt ongeveer even goed als metalen. Kortom: het ideale materiaal voor printbare elektronica. Helaas is het door hun vorm nogal moeilijk om vlokjes grafeen door een printkop te persen. Grafeen is een onregelmatig mengsel van kleine en grote vlokken. Grote vlokken verstoppen de printkop en, een groter probleem, verhinderen dat er kleine, regelmatige druppeltjes worden gevormd.

Eerste bruikbare grafeeninkt overtreft nu al bestaande elektronische inkten
Ferrari en zijn collega’s zijn er in geslaagd dit probleem op te lossen. Hierbij pellen ze met ultrageluid (in vaktaal: sonicatie) laagjes grafeen af van een blok grafiet en filteren ze, zodat de grootste stukken niet meer de printkop kunnen verstoppen. Vervolgens lossen ze de vlokken op in het oplosmiddel N-Methylpyrrolidone, of NMP, dat het beruchte koffieringeffect tegengaat. Bij het kofffieringeffect hoopt de inkt zich aan de rand op. Niet erg handig als je gevoelige elektronica print. Ook prettig is dat NMP niet erg giftig is. Als laatste stap werd de NMP met opgeloste grafeenvlokken in een printkop geplaatst. De onderzoekers printten een aantal circuits en dunne-film transistors.

Nu al blijkt de grafeen-inkt iets beter te scoren dan bestaande inkt. Let wel: dit is nog niet een uitontwikkeld product, dus reken maar dat dit nog veel beter gaat worden. Dit opent vooruitzichten naar volledig geprinte, flexibele en doorzichtige grafeen-gebaseerde apparaten op willekeurige ondergrond, aldus besluit Ferrari zijn artikel. Kan je straks in een printshop je grafeenkop laten bijvullen om dat heftige Bhutanese ontwerp voor een meditatielamp uit te printen? Dit kans zit er terdege in.

Bron
Andrea Ferrari et al, Ink-Jet Printed Graphene Electronics, ArXiv pre-print archive, 2011

Watermoleculen houden de laagjes grafeen-kippengaas uit elkaar zodat ze niet aan elkaar gaan kleven.

Superbatterij van grafiet en water

Een combinatie van twee ‘gewone’ materialen – grafiet en water – kan energie-opslagsystemen opleveren die evenveel energie opslaan als lithium-ion batterijen, maar worden opgeladen in een aantal seconden en een bijna eeuwige levensduur hebben. Eindelijk de doorbraak waar we al jaren op wachten?

Grafeen: overvloedig voorkomend materiaal

Watermoleculen houden de laagjes grafeen-kippengaas uit elkaar zodat ze niet aan elkaar gaan kleven.
Watermoleculen houden de laagjes grafeen-kippengaas uit elkaar zodat ze niet aan elkaar gaan kleven.

De komst van miljoenen goed opgeleide en begaafde Chinese wetenschappers geeft onderzoek en ontwikkeling een nog zelden eerder vertoonde boost. In hoog tempo krijgt de nieuwe fossielvrije economie vorm. Dr Dan Li van de vakgroep Materiaalkunde van Monash University en zijn onderzoeksgroep deden onderzoek naar grafeen, een materiaal dat al veel records heeft gebroken. Grafeen lijkt op zeshoekig kippengaas, waarbij de knooppunten uit koolstofatomen bestaan. Grafeen is extreem sterk, geleidt uitstekend elektriciteit, chemisch stabiel, heeft omdat het uit atoom-dikke laagjes bestaat uiteraard een enorm specifiek oppervlak en bestaat uit koolstof, dat op aarde overvloedig voorkomt.
“Zodra we het materiaal goed kunnen bewerken, kan elektronica, de iPhone bijvoorbeeld, in slechts enkele seconden of misschien zelfs sneller worden opgeladen,” aldus Dr. Li.

Grafeen is geen exotisch nanomateriaal. Grafiet, waar de punt van zeer zachte potloden volledig uit bestaat, bestaat volledig uit laagjes grafeen, die van elkaar af schilferen als je met het potlood schrijft. Grafiet is erg goedkoop: een kilo grafiet kost minder dan twee euro. Kwaliteiten die -met de bijzondere materiaaleigenschappen – grafiet zeer geschikt maken voor het opslaan van energie, aldus Li.

Water lost kleef-probleem op
De reden dat grafeen nog niet overal wordt toegepast is dat laagjes grafeen, zodra ze elkaar raken, de neiging hebben aan elkaar te gaan kleven zoals in grafiet gebeurt, aldus Li. Als de laagjes zich weer opnieuw stapelen, gaat alle oppervlakte verloren en gedraagt het zich niet meer als grafeen. Dr. Li en zijn team hebben nu het geheim ontdekt om de opmerkelijke eigenschappen van laagjes grafeen te behouden: water. Grafeen vochtig houden – in gelvorm – zorgt voor afstotende krachten tussen de grafeenlagen en voorkomt dat ze weer aan elkaar gaan kleven. Hiermee wordt grafeen gebruiksklaar om in de echte wereld toe te passen. De techniek is erg simpel en kan makkelijk worden opgeschaald, aldus Li. “Toen we het ontdekten, konden we onze ogen niet geloven. We nemen twee algemene, goedkope materialen – water en grafiet – en maken dit nieuwe nanomateriaal met verbazingwekkende eigenschappen,” aldus Li.

Grafeen-gel verslaat de huidige koolstof-gebaseerde technologie met stukken, zowel wat betreft de hoeveelheid lading die opgeslagen wordt als de snelheid waarmee de ladingen kunnen worden afgeleverd[2]. Energieopslag is het voornaamste technische probleem wat betreft duurzame energie. Volgens de weinig bescheiden Dr Li zou dit wel eens de doorbraak kunnen zijn die het massaal invoeren van elektrische voertuigen en alternatieve energiebronnen in het algemeen mogelijk maakt.

Grafeen-gel is ook zeer interessant om in waterzuiveringsmembranen te gebruiken, in biomedische apparatuur en sensoren. Het kippengaas laat namelijk alleen kleine moleculen door[3].

Bronnen
1. Graphite + water = the future of energy storage, Monash University (2011)
2. Yang, X. W., Zhu, J. W., Qiu, L. & Li, D*. Bio-inspired effective prevention of restacking in multilayered graphene films: Towards the next generation of high-performance supercapacitors. Advanced Materials (2011)
3. Qiu, L., Zhang, X. H., Yang, W. R., Wang, Y. F., Simon, G. P. & Li, D. Controllable corrugation of chemically converted graphene sheets in water and potential application for nanofiltration. Chemical Communications (2011)

De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal

Grafeen: lichter dan water en zo sterk als diamant

Het was al langer bekend dat grafeen een zeer sterk en licht materiaal is. Nu hebben Chinese onderzoekers ontdekt hoe de eigenschappen van grafeen nauwkeurig zijn in te stellen. Met hun nieuwe model kunnen ook de eigenschappen van grote stukken grafeen nauwkeurig worden berekend.

Grafeen als wondermateriaal
Grafeen lijkt op een soort kippengaas, bestaande uit een atoomdikke laag koolstofatomen. Grafiet (bekend van zachte potloden) bestaat uit laagjes grafeen. Het materiaal is extreem sterk, maar de laagjes glijden onderling gemakkelijk.

Op dit moment is het nog niet mogelijk grote stukken grafeen te maken, maar lukt dat, dan ontstaat een materiaal dat alle bekende materialen in kracht overtreft en tegelijkertijd zeer licht is.

Eigenschappen grafeen aan te passen

De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal
De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal

En er is nog meer goed nieuws. Het is mogelijk de treksterkte exact aan te passen door de onderlinge dwarsverbindingen van de laagjes grafeen aan te passen. Nu is het dus mogelijk om de eigenschappen van grafeen (en andere materialen die uit atoomdikke laagjes bestaan) precies zo te berekenen en aan te passen als gewenst.

De onderzoekers berekenden dat als ze extra dwarsverbindingen aan grafeen toevoegen, het materiaal ook veel luchtiger en twee keer lichter wordt dan standaard grafiet. Dit zou het materiaal voor bijvoorbeeld vliegtuigbouwers uiteraard zeer interessant maken. Het brandstofverbruik van een vliegtuig hangt rechtstreeks samen met het gewicht. Ook andere vervoermiddelen zoals auto’s en -vooral- ruimtevaartuigen, waarbij elke kilogram telt, zullen qua energieverbruik sterk profiteren van lichte, sterke materialen.

Grafeen als vervanger voor de meeste metalen
De mogelijkheden en implicaties hiervan zijn in principe enorm. Grafiet zal een zeer waardevolle grondstof worden, het belang van structurele metalen zal afnemen (al zullen ze belangrijk blijven als elektrische geleider). Zodra onderzoekers er in slagen om grafeen rechtstreeks te produceren, betekent dit dat er werkelijk eindeloze voorraden bouwmateriaal zijn, want koolstofatomen (waar grafeen uit bestaat) komen op aarde zeer veel voor. Met voldoende energie breekt dan een tijdperk van overvloed aan. De enige beperkende factor wordt dan het voorkomen van milieubelasting.

Bronnen
MIT Technology Review: Arxiv blog: How To Make Graphene Paper
Mechanical properties of graphene paper