koolstof

Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad?

Vervanger van koper gevonden

5 reacties / Ideeën en techniek, Wereld / Door / 24 januari 2021

Koperdiefstallen zijn een steeds hardnekkiger plaag. Daar zou wel eens verandering in kunnen komen. Met deze revolutionaire ontdekking zijn onderzoekers er in geslaagd, een vervanger van koper te vinden: koolstof.

Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad?
Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad? Bron

Kopervervanger dringend nodig

Koper is een erg goede elektrische geleider. Van alle metalen geleidt alleen het nog schaarsere zilver, stroom nog beter. Geen wonder dat koper heel veel gebruikt wordt voor elektronica en stroomkabels. Vooral de sterke vraag uit China maakt nu dat een kilo koper al gauw meer dan zes euro kost en geen koperhoudend voorwerp meer veilig is voor het dievengilde.

Onderzoekers zijn er nu voor het eerst in geslaagd een vervanger voor koper te vinden.[1] Een materiaal dat stroom beter geleidt dan dit steeds schaarser wordende metaal dus. Het materiaal in kwestie is koolstof, dat in de vorm van steenkool, kooldioxide en carbonaten zeer veel op aarde voorkomt. Het wordt een stroomgeleider in de vorm van een oude bekende: koolstofnanobuisjes, die veel weg hebben van een opgerold stukje grafeen. Koolstofnanobuisjes houden ook al een andere record: het materiaal met de hoogste treksterkte ter wereld.

Jarenlang moeizaam onderzoek levert vervanger

Na jarenlang moeizaam werk zijn onderzoekers zo ver dat de stroomdichtheid van koolstofnanobuisjes even groot is als die van koper. Dat wil zeggen: per volume-eenheid. Per kilo scoort het materiaal zelfs zes keer beter omdat het veel lichter is. Individuele buisjes geleiden zelfs tien keer zo goed stroom als koper, maar technisch was het tot nu toe niet mogelijk uit koolstofnanobuisjes een dikke stroomkabel te maken. De experimenten zijn uitgevoerd met dubbelwandige buisjes, die makkelijker te maken en te bewerken zijn. De onderzoekers willen nu een stroomkabel ontwikkelen die veel beter stroom geleidt dan koper. Daarvoor moeten ze enkelwandige koolstofnanobuisjes tot een stroomkabel ziet samen te vlechten. Een lastige uitdaging.

Voordelen

Naast een einde aan het kopertekort, besparen de nieuwe, lichte kopervervangers ook veel gewicht. Goed nieuws dus voor vliegtuig- en ruimteschip bouwers. Koolstof is zeer resistent tegen corrosie, dus de koolstof stroomkabels kunnen ook in chemisch zeer vijandige omgevingen gebruikt worden. Als de onderzoekers de belofte van een veel beter geleidend alternatief voor koper waar kunnen maken, wat ze gaan proberen,  betekent dit dat de zeven procent energie die nu als transportverliezen verloren gaat in het hoogspanningnet, wordt gehalveerd of nog beter. Dit geldt des te sterker nog voor de stroomkabels in huis. De kans is dus aanwezig dat deze kabels overal in huis zullen opduiken en dat het koper weer wordt omgesmolten tot mooie standbeelden of munten. Wat moet je er anders mee?

Langzame opmars koper vervangers

De opmars van koolstofnanobuisjes als geleider bleek in de praktijk minder soepel te lopen dan eerst gedacht. Het is nog steeds erg duur om koolstofnanobuisjes in grote hoeveelheden te produceren, al dalen de prijzen. Begin 2021 liggen deze rond de 200 euro per kilogram. Dit is nog steeds vele malen meer dan koper. Wel is de dichtheid van koper veel hoger is dan die van koolstofnanobuisjes. En nog niet alle problemen zijn opgelost. Onderzoekers worstelen nog steeds met het aan elkaar aan laten sluiten van de buisjes. Zolang dat niet lukt, blijft er veel interne weerstand in de kabels zitten. Waarschijnlijk worden de eerste toepassingen die in ruimtevaart en vliegtuigen. Hier is gewichtbesparing erg belangrijk.

In 2019 was de “technical readiness level” bijna 3. Dat betekent, dat is aangetoond dat het principe werkt, maar er nog geen in het lab gevalideerd prototype is. [3] Ga dus voorlopig geen kopermijnen shortsellen. Maar op iets langere termijn zal koper waarschijnlijk de weg van het bakeliet gaan. Zeker, nu een grote fabrikant, Yazaki, al koolstofnanovezels in aluminium kabels verwerkt om deze even goed stroom te laten geleiden als koper [4].

Bron:
1. Yao Zhao, Jinquan Wei, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan en Enrique V. Barrera, Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals, Nature Scientific Reports (2011)
2. Can Carbon Nanotubes Replace Copper?, Assembly magazine, 2016
3. George Slenski, Replacement of copper wiring with carbon nanotubes in aerospace applications, 2019
4. Danielle Szatkovski, How do you replace all that copper wiring, Automotive News, 2019

Diamant nanodraad, de nieuwste hit onder materiaalkundigen. Bron: {1}

Diamant nanodraad interessanter dan koolstofnanovezels?

3 reacties / Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door / 23 december 2015

Het lijkt erop dat er een eendimensionale tegenhanger van grafeen is ontdekt. Diamantnanodraad heeft een aantal zeer interessante, zeg maar gerust bizarre eigenschappen.

Wat is diamant nanodraad?
Diamantnanodraad, in de herfst van 2015 ontdekt door een groepje van Pennsylvania State University, ziet op op atoomschaal uit als doorgeknipt kippengaas.  Elke rij bestaat uit een zeshoeken  koolstofatomen. De losse eindjes aan de rand worden bezet door waterstofatomen.

Diamant nanodraad, de nieuwste hit onder materiaalkundigen. Bron: {1}
Diamant nanodraad, de nieuwste hit onder materiaalkundigen. Bron: {1}

Sindsdien heeft de nanodiamantdraad-koorts veel materiaalkundigen in de greep. Wat voor merkwaardige eigenachappen zou dit opmerkelijke goedje hebben? Het is plat, dus veel buigzamer dan koolstofnanovezels. Dat maakt het als materiaal voor nanodraden veel interessanter dan dit extreem sterke materiaal. Veel onderzoekers vreesden echter dat de nieuwste ontdekking zo bros zou zijn dat de draad net als glas in fragmenten uit elkaar zou spatten als er mechanische spanning op zou komen te staan.

Een nieuwe groep, geleid door Haifei Zhan van Queensland University of Technology in Australie, heeft deze bezwaren nu weggenomen. Sterker nog: het materiaal blijkt veel  veelzijdiger dan iedereen dacht. Gaat diamant nanodraad een zelfde toekomst als wondermateriaal tegemoet als grafeen?

Hoe maak je diamant nanodraad?
Het Penn State University team gebruikte benzeen, een zeshoek van koolstofatomen met zes waterstofatomen er omheen, als basis[1]. Ze plaatsten de benzeenmoleculen in een rij, verhoogden de druk zodat de moleculen aan elkaar gingen klikken (polymeriseerden) en daar was de diamant nanodraad.

Tot zover de theorie. In de praktijk is het erg belangrijk hoe precies de benzeenmoleculen aan elkaar gingen zitten. Er zijn verschillende configuraties mogelijk. Naar blijkt, verschillen de eigenschappen van nanodiamantdraden enorm per configuratie.

Zhan en zijn team keken naar de meest voor de hand liggende configuraties. De simpelste is polybenzeen. Hierbij zitten de zeshoeken van benzeen aan elkaar zoals linksonder op het plaatje. Dit is een stijf molecuul, dat steeds breekbaarder wordt naarmate het langer wordt. Kortom: echt grote dingen kan je hiervan niet bouwen. Daarvoor is dit molecuul te breekbaar. Als er zogeheten Stone-Wales defecten tussen zitten, verandert dit sterk. Deze defecten werken als scharnierpunten tussen de rechte stukken polybenzeen. Hoe meer Stone-Wales defecten, hoe buigzamer (maar, uiteraard: hoe zwakker de keten). Zodra het aantal Stone-Wales defecten een bepaald percentage overschrijdt, gebeurt er iets opmerkelijks. De keten verandert van breekbaar in zeer buigzaam, het verschil tussen rauwe en gekookte spaghetti.

Dat maakt het mogelijk om sommige delen van de draad buigzaam, en andere juist star te maken. Nanodiamantdraden hebben een hoge Young-modulus (treksterkte), vergelijkbaar met die van aluminium. De allersterkste zijn  Ook zijn ze erg licht. Dit opent heel veel toepassingen, vooral bij het bouwen van extreem sterke drie-dimensionale nanostructuren, aldus de groep-Zhan. Het molecuul kan zowel de functie van een kabel als van draagstructuur vervullen, afhankelijk van het aantal defecten.

Tot zover de theorie, nu de praktijk
Dit werk was slechts een computersimulatie. Hoewel onze kennis van de moleculaire wereld bijna perfect is, de onderliggende kwantumelektrodynamica is tot op dertien decimalen nauwkeurig te berekenen, kan de praktische toepassingen nog verrassingen opleveren. Experimentele materiaalkundigen moeten dus nu aan de bak en gaan meten aan het molecuul. Gezien de zeer veelbelovende eigenschappen van dit materiaal, en de enorme onderzoeksbudgetten die aan grafeen een dergelijke worden verspijkerd- zal het niet lang meer duren voor de eerste diamantnanodraden opduiken in gadgets van de toekomst.

Bronnen
1. T.C. Fitzgibbons, Benzene-derived ​carbon nanothreads, Nature Communications, 2014
2. Zhan et al., From Brittle to Ductile: A Structure Dependent Ductility of Diamond Nanothread, ArXiv preprint server (2015)

Carbyn, een rechte keten van koolstofatomen met meerdere bindingen, is volgens een zeer nauwkeurig computermodel de sterkste vezel ooit.

Sterkste materiaal ooit voorspeld

6 reacties / Scheikunde, Wetenschap / Door / 12 oktober 2013

Volgens theoretische berekeningen is er een uit koolstof bestaand materiaal, carbyn, denkbaar dat zeker tweemaal zo sterk is dan zelfs de bekende koolstofnanobuisjes en grafeen. Kunnen we met dit materiaal eindelijk een ruimtelift bouwen?

Wat is carbyn?
Carbyn is de chemische naam van een ketting van koolstofatomen, die onderling met dubbele verbindingen of afgewisseld enkele en drievoudige verbindingen verbonden zijn (in feite bevindt de werkelijke toestand zich hier, onbepaald, tussenin – welkom in de wondere wereld van de kwantummechanica). Carbyn is hiermee echt een eendimensionaal materiaal. Als iemand er ooit in zal slagen om carbyn in bulk te bereiden, dan ontstaat er een materiaal dat mogelijk zelfs het sterkst denkbare materiaal ooit is. De reden: alle koolstofverbindingen lopen parallel met de trekkracht. Het materiaal kan onder spanning niet van vorm veranderen, alleen uitrekken. Hiervoor is theoretisch de maximale kracht nodig die de chemische binding tussen koolstofatomen kan leveren. Dat is dubbel zoveel als het sterkste materiaal tot nu toe bekend en zelfs drie keer zo veel als diamant.

Onverwachte eigenschappen
Het materiaal kent nog andere interessante eigenschappen. Zo veranderen de elektronische eigenschappen al als het materiaal 10% uitgetrokken wordt. Wordt de ketting 90 graden gedraaid, dan ontstaat een magnetische halfgeleider. Aan de carbynketens kunnen ook andere moleculen worden gekoppeld, waardoor het gebruikt kan worden om energie op te slaan. Carbynketens zijn stabiel bij kamertemperatuur en vormen niet snel verbindingen met andere ketens. Dit is een interessante combinatie van eigenschappen, aldus de ontdekker Boris Yacobson. Naast in kabels voor ruimteliften, kunnen de carbynketens gebruikt worden in nanomechanische systemen (als bijvoorbeeld een extreem sterk eenatomig trekkoord), in sterke lichtere materialen en voor energie-opslag. In een vliegwiel van carbyn kan drie keer zoveel energie worden opgeslagen als in een vliegwiel van diamant met dezelfde vorm.

Carbyn, een rechte keten van koolstofatomen met meerdere bindingen, is volgens een zeer nauwkeurig computermodel de sterkste vezel ooit.
Carbyn, een rechte keten van koolstofatomen met meerdere bindingen, is volgens een zeer nauwkeurig computermodel de sterkste vezel ooit.

Bestaat carbyn al?
Ethyn (HCCH), een driedubbele binding tussen twee koolstofatomen met aan de uiteinden elk een waterstofatoom, is al meer dan 100 jaar bekend onder de naam acetyleen en wordt bij autogeen lassen gebruikt om extreem hete vlammen mee te produceren. Het is veel lastiger om langere alkynen te produceren. Een materiaal dat op carbyn lijkt, werd voor het eerst geproduceerd in de USSR in 1960. Sindsdien hebben experimenteel chemici het materiaal in kleine hoeveelheden geproduceerd, is het aangetroffen in samengeperst grafiet en ook aangetroffen in sterrenstof. Er is dus sprake van een fysisch mogelijke en ook bestaande stof. Het enige wat ons ontbreekt is een methode om deze stof grootschalig en voordelig te produceren.

Welke methode gebruikten de onderzoekers?
Kwantummechanica wordt door veel mensen gezien als een ondoorgrondelijke theorie. Inderdaad is kwantummechanica met gezond verstand moeilijk te bevatten, maar onze theorieën zijn als rekenmodel ondertussen zo goed, dat met computermodellen een nauwkeurigheid tot op 13 decimalen kan worden bereikt. Althans: deze nauwkeurigheid geldt voor kwantumelektrodynamica (QED), de QD-variant die onder meer de volledige scheikunde beschrijft. Met andere woorden: zet je een supercomputer aan het werk die de beruchte perturbaties van QED tot het gewenste nauwkeurigheidsniveau aankan, dan kan je het gedrag van atoombindingen tot op dertien decimalen precies voorspellen. Dit is wat Yakobson en zijn mensen hebben gedaan. Omdat computers in de 21e eeuw onvergelijkbaar veel beter zijn dan die in de periode dat het meest onderzoek naar de cabine heeft plaatsgevonden, haalde het team-Yacobson enkele theoretische voorspellingen onderuit. Ze werden op het  spoor gezet, omdat er in de vrije natuur sporen carbyn  zijn  aangetroffen, iets dat onmogelijk was volgens deze eerdere theorie.

Onverwachte nieuwe eigenschappen
Zo voorspelde eerder onderzoek dat carbyn uit elkaar zal vallen, omdat het met zichzelf zou gaan regeren. Inderdaad blijkt met het nieuwe zeer nauwkeurige model dat carbyn slechts op één plek in de keten een andere keten dicht kan raken. De stijfheid van de keten belemmert dat de ketens elkaar op twee plekken tegelijk kunnen raken en dat ze zo aan elkaar geritst worden. In feite is wat zich dan vormt een soort poreus net, met een 5 keer zo groot specifiek oppervlak als het alom bejubelde grafeen.
Onverwacht was de ontdekking dat de elektron-barrière zo gevoelig was voor draaien. Er ontstaat zo een soort mechanisch te bedienen transistor. Erg handig voor schakelingen in nanomachientjes.

Het vervolg
Het team wil meer onderzoek doen naar andere elementen. Je zou dan bijvoorbeeld kunnen denken aan verbindingen met boor, in het periodiek systeem de lichtere buurman van koolstof, of andere elementen die eendimensionale structuren kunnen vormen. Ook wil de groep de geleidbaarheid van carbyn beter onderzoeken.

Bron
B.I.Yacobson et al., Carbyne from first principles: Chain of C atoms, a nanorod or a nanorope?, ArXiv preprint server (2013) Peer-reviewed (paywall)

Het periodiek systeem Koolstof (C)

Laat een reactie achter / Scheikunde, Wetenschap / Door / 16 september 2012

Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.

Vandaag nummer 6 van de 118 elementen, Koolstof (C).

Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken

 
Waar komt veel koolstof voor?
Koolstof is na waterstof, helium en zuurstof het meest voorkomende element in het heelal, omdat in zware sterren door kernfusie aan het einde van hun leven enorme hoeveelheden koolstof (uit helium) worden gemaakt. Bij supernova’s komen dan ook enorme wolken koolstofrijk stof vrij, die volgens de laatste theorieën de bouwstenen leverden voor het ontstaan van leven. Ook op aarde komt veel koolstof voor, vooral in de vorm van carbonaten, gesteenten waarin het CO32- ion voorkomt. Ook in de oceanen komen veel carbonaationen voor, waar ze verantwoordelijk zijn voor het stabiliseren van de zuurgraad van het zeewater. Daarnaast kent de aarde ook de nodige zuivere koolstof in de vorm van steenkool, grafiet en diamant. Fossiele brandstoffen bestaan uit koolwaterstoffen, zoals methaan (aardgas; CH4) en ingewikkelder ketens. Ook de lucht bevat koolstof in de vorm van CO2, kooldioxide. Buiten de aarde zijn de veel voorkomende chondrieten, koolstofrijke asteroïden een interessante koolstofbron. De atmosfeer van Venus bestaat vrijwel geheel uit een dikke mantel kooldioxide; ook gasreuzen als Jupiter en Saturnus bevatten het nodige koolstof in de vorm van methaan. De Saturnusmaan Titan kent een in het zonnestelsel unieke methaankringloop, met methaanmeren en methaanregens.

Wat zijn de eigenschappen van koolstof?
Koolstof is een klein en licht atoom met in de kern 6 protonen en 6 (12C, plm. 99%) of 7 (13C; 1,1% van alle koolstof op aarde) neutronen. Omdat van de zes elektronen van koolstof maar liefst vier bindingen vormen en het atoom zo klein en licht is, vormen zuivere koolstofmaterialen de sterkste materialen die ons bekend zijn. Grafeen,  moleculair kippengaas, en diamant bestaan uit zuiver koolstof en hebben treksterktes die uit science fictionboeken lijken te komen. Om een grafeen- of diamantvezel met een doorsnede van 1 mm2 te breken, is een kracht van 1 050 000 N nodig (het gewicht van twintig volwassen Afrikaanse mannetjesolifanten van 5 ton elk). Dankzij koolstof kunnen we daarom in theorie een ruimtelift bouwen. Koolstof kan zowel elektronen afstaan als opnemen, waardoor de koolstofchemie (beter bekend als organische chemie) extreem rijk en complex is. De reden overigens waarom de scheikunde is onderverdeeld in organische chemie (waaronder biochemie) en anorganische chemie(de rest; chemie dus waarbij koolstof niet betrokken is). Koolstof verdampt direct als vaste stof (sublimatiepunt boven de 4000 graden) en vormt alleen onder hoge druk en temperatuur een vloeistof. Koolstof is een halfgeleider, maar uit recente ontdekkingen blijkt dat koolstofnanobuisjes ongeveer even goed stroom geleiden als koper en aluminium en deze metalen dus kunnen vervangen.

Toepassingen
Koolstof komt voor in de vorm van koolwaterstoffen, met name de fossiele brandstoffen aardgas en ruwe olie. Uit ruwe olie wordt in de petrochemische industrie onder andere benzine en kerosine gedestilleerd en het dient als basis voor veel synthetische stoffen, waaronder plastics.

Andere toepassingen zijn:

  • De isotoop 14C (ontdekt op 27 februari 1940) wordt gebruikt bij koolstof-14-datering.
  • Grafiet vormt het “streepvormend” deel in potloden, waarbij ook nog klei wordt toegevoegd voor stevigheid.
  • Diamanten (pure koolstof) vinden toepassing in (kostbare) sieraden en worden om hun hardheid onder andere toegepast in boorkoppen.
  • Bij de productie van staal is koolstof een van de stoffen die met het ijzererts wordt gemengd.
  • In kernreactors wordt grafiet in staven toegepast om het kernsplijtingsproces te modereren, ofwel beheersbaar te houden.
  • De chemische en structurele eigenschappen van fullerenen maken dat voor deze koolstofcomplexen misschien een veelbelovende rol is weggelegd in de nanotechnologie.
  • In fijnverdeelde toestand (actieve kool) heeft kool een hoog specifiek oppervlak en kan gebruikt worden als adsorbeermiddel. Het wordt wel gebruikt als filtermateriaal om vloeistoffen te ontkleuren en zelfs ingeslikt om gifstoffen uit het maag-darmkanaal te verwijderen (‘Norit’).
  • Elektronica weerstanden (grafietweerstand); koolstof is een zeer goede stroomgeleider maar als een redelijk grote stroom door in een tot verhouding zeer dun staafje grafiet moet lopen ontstaat een hogere weerstand. Grafiet heeft daarbij als voordeel dat deze niet snel doorsmelt. (Hoe hoger de stroom, hoe groter de temperatuur, en hoe groter de weerstand.)
  • Koolhydraten als ethanol, suikers als sacharose, glucose, fructose, zetmeel enz.
  • Plantaardige oliën en vetten en de verwerking daarvan in voeding en oleochemie.
  • Als allerbelangrijkste: het element koolstof is onmisbaar voor alle levende wezens: alle organische verbindingen bevatten het element koolstof.
Buckminsterfullereen, ook bekend als C60, fullereen, buckyball of moleculaire voetbal, beschikt over opmerkelijke geneeskundige eigenschappen.

Buckyballs verdubbelen levensduur ratten

3 reacties / Mensheid, Wetenschap / Door / 17 april 2012

De ontdekking van buckyballs, de uit zestig koolstofatomen bestaande moleculaire voetballen, vormde het begin van de koolstofrevolutie, die uiteindelijk koolstofnanobuisjes en grafeen opleverde (met nog veel meer materialen in de pijplijn). Toch blijkt ook deze “oer” exotische koolstofverbinding nog heel wat geheimen te verbergen. Onder meer hun onverwachte en opmerkelijke geneeskundige effecten. Zal dit ook bij mensen zo werken?

Buckminsterfullereen, ook bekend als C60, fullereen, buckyball of moleculaire voetbal, beschikt over opmerkelijke geneeskundige eigenschappen.
Buckminsterfullereen, ook bekend als C60, fullereen, buckyball of moleculaire voetbal, beschikt over opmerkelijke geneeskundige eigenschappen.

C60 vangt gevaarlijke incomplete moleculen weg
Onderzoekers van de universiteit van Parijs en collega’s dienden het molecuul buckminsterfullereen, ook wel bekend als de “moleculaire voetbal”, buckyball, of C60, toe aan ratten, opgelost in olijfolie. C60 is apolair, dus lost veel beter op in olie dan in water. Ze ontdekten dat het molecuul de levensduur van de ratten ongeveer verdubbelde, dit zonder chronische vergiftigingsverschijnselen.  De resultaten doen volgens de onderzoekers vermoeden dat het effect van C60, een antioxidant (een stof die vrije radicalen wegvangt; vrije radicalen zijn gevaarlijke incomplete moleculen die atomen van bijvoorbeeld eiwitten of DNA weggrissen en zo ernstige schade veroorzaken), voornamelijk wordt veroorzaakt door het verlichten van oxidatieve stress (dat is een tijdelijke ophoping van gevaarlijke vrije zuurstofradicalen, zoals bijvoorbeeld OH. of O: ). Oxidatieve stress komt veel voor bij oudere mensen en andere dieren en is de oorzaak van veel schade aan lichaamscellen.

Geen permanente vergiftigingsverschijnselen aangetroffen
De onderzoekers vonden ook dat het opgeloste C60 werd geabsorbeerd door het maag-darmkanaal en in enkele tientallen uren uit het rattenlichaam verdween. “Deze belangrijke resultaten op het gebied van geneeeskunde en toxicologie openen de poort naar vele mogelijke biomedische toepassingen van C60, inclusief kankertherapie, neuro-degeneratieziekten en veroudering,” aldus een onderzoeker.

“C60 kan oraal worden toegediend en wordt nu met vele tonnen per jaar geproduceerd, zodat het niet langer nodig is om de toevlucht te zoeken tot in water oplosbare afgeleiden. Deze zijn namelijk moeilijk te zuiveren en, in tegenstelling tot zuivere C60, soms giftig.”

De combinatie van C60 en olijfolie leidt bijna tot een verdubbeling van de levensduur (langer doorlopende lijn). Bron: artikel.
De combinatie van C60 en olijfolie leidt bijna tot een verdubbeling van de levensduur (langer doorlopende lijn). Bron: artikel.

 

Veelbelovend medicijn
Sinds het jaar 1993 hebben talloze onderzoeken laten zien dat C60  en van C60 afgeleide stoffen opmerkelijk hoog potentieel tonen in verschillende deelgebieden van de geneeskunde en de biologie, voornamelijk wat betreft het splijten van DNA, als hulpmiddel bij het in beeld brengen van stukken weefsel, bescherming tegen UV- en ioniserende straling, antivirale werking, de al eerder genoemde anti-oxidantwerking, de werking tegen plakvorming, tegen allergische reacties en het voorkomen van de ontwikkeling van angina pectoris, stimulering van het immuunsysteem en antitumoreffecten, het bevorderen van de uitgroei van neuronen, transporteren van genetisch materiaal en zelfs de groei van haar, aldus de lijvige opsomming in het artikel in het tijdschrift Biomaterials.

Te mooi om waar te zijn?
Enige voorzichtigheid is zeker op zijn plaats. Ratten verschillen in veel opzichten van mensen en ook is het de vraag of in veel langer levende organismen als mensen geen andere vervelende effecten van C60 op gaan treden die we nu nog niet kennen.

Maar toch. Blijkt dit effect niet alleen bij ratten op te treden maar ook bij mensen en werkt het ook tegen andere vormen van schade dan waarmee in de proef is geëxperimenteerd (vergiftiging met chloroform), dan zouden we wel eens de jackpot kunnen hebben geraakt in de strijd tegen veroudering en verwoestende zenuwziekten. Goed nieuws, ook omdat buckyballs niet onder octrooi staan bij een farmagigant.

Bron: 
Baati T, et al., The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60]fullerene, Biomaterials (2012), doi:10.1016/j.biomaterials.2012.03.036 (gratis versie)

Koolstof nanovezels breken alle sterkterecords en zullen voor de volgende industriële revolutie zorgen.

De verpletterende koolstofrevolutie

13 reacties / Ideeën en techniek, Wereld, Wetenschap / Door / 5 november 2011

Eén enkel chemisch element kan een groot aantal ooit als strategische mineralen beschouwde materialen vervangen en zal de basis vormen voor de volgende industriële revolutie. Ideeën en energie worden belangrijker dan ooit, want dit wondermateriaal is letterlijk overal voor het grijpen.

Koolstof nanovezels breken alle sterkterecords en zullen voor de volgende industriële revolutie zorgen.
Koolstof nanovezels breken alle sterkterecords en zullen voor de volgende industriële revolutie zorgen.

Koolstof tot voor kort alleen ‘organisch’ materiaal
Koolstof vormt letterlijk de ruggengraat van het leven. Suikers en zetmeel bestaan uit koolhydraten – een ‘rups’ van koolstofatomen of van groepjes koolstofatomen. Ook eiwitten en vetten bestaan voor een groot deel uit koolstof. Opmerkelijk genoeg was dat in het dagelijks leven tot voor kort anders. Elektrische stroom loopt door koperdraden. Onze auto’s bestaan uit metaalplaat. Onze huizen zijn gebouwd van baksteen en beton.

Enkele ontdekkingen aan het einde van de twintigste eeuw en vlak daarna hebben dat laatste ingrijpend veranderd. Verschillende typen koolstofverbindingen hebben namelijk bepaalde materiaaleigenschappen die die van alle andere materialen voorzover bekend overtreffen. Een overzicht in het kader.

Buckey balls
De allereerste (in 1985) ontdekte bijzondere vorm van koolstof. Het molecuul buckminsterfullereen heeft alles weg van een moleculaire voetbal, waarbij de ruimtes tussen de koolstofatomen de vlakken van de voetbal vormen. De kogeltjes bleken keihard en zijn in staat bijvoorbeeld radioactieve atomen of andere moleculen te transporteren.

Koolstofnanobuisjes
Bij nader onderzoek in 1991 bleken zich nog veel interessantere structuren te vormen als met een vlamboog buckyballetjes werden geproduceerd: koolstofnanobuisjes, die veel weg hebben van langgerekte buckyballs.

Deze nanobuisjes kennen de grootste treksterkte van alle bekende materialen: in theorie 150 GPa, in de praktijk 60 GPa. Dit laatste getal betekent dat een draadje van een vierkante millimeter doorsnede zes ton aan gewicht kan dragen. Dat is een complete mannelijke Indiase olifant. Een draadje zo dik als een gemiddelde mensenhaar kan ongeveer een mens dragen. Hiermee worden staal en kevlar met twee ordes van grootte geklopt. Er bestaan ook dubbelwandige koolstofnanobuisjes, die deze eigenschappen nog iets overtreffen.

Mede wanneer ‘gedoopt’ met andere materialen, kunnen koolstofnanovezels ook goed stroom geleiden– waarbij ze koper zelfs overtreffen.

Grafeen
In feite vormen koolstofnanobuisjes opgerolde stukken grafeen. Grafeen heeft het meeste weg van zeshoekig kippengaas, waarbij de koolstofatomen zeshoeken vormen. We produceren bijna iedere dag grafeen, als we schrijven met een grafiet potlood en de laagjes grafeen afschilferen. De unieke eigenschappen van grafeen werden ontdekt door de naar Nederland geïmmigreerde Andrej Geim, waarvoor hij met twee anderen de Nobelprijs natuurkunde kreeg.

Geen wonder. Ook dit materiaal is ongeveer even sterk en licht als koolstofnanovezel, dus ook weer honderd keer zo sterk als staal. Een laagje grafeen is één atoom dik. Ook grafeen is een extreem goede elektrische geleider – bij kamertemperatuur in theorie zelfs beter dan zilver. Als dit materiaal op grote schaal in vliegtuigen of op de weg wordt gebruikt, zou dat de helft of meer van het brandstofverbruik schelen. Ook zou het vliegtuig beschermd zijn tegen bliksem door de kooi van Faraday die het materiaal vormt. Bijna iedere dag worden nieuwe toepassingen bedacht voor dit wondermateriaal.

Bulkallotropen
De bekendste bulkallotroop van koolstof is uiteraard diamant. De laatste jaren zijn er steeds meer methodes ontdekt om op grote schaal kunstdiamant te maken. Worden deze methodes fors opgeschaald zonder dat er energievretende productiemethoden nodig zijn, dan betekent dat onder meer onbreekbare ruiten, krasvaste brillenglazen en nog veel meer.
Daar blijft het niet bij. Koolstofkristallen die afwijken van diamant blijken bijzondere eigenschappen te hebben die ze voor andere toepassingen interessant maakt.

Koolstof ideaal voor 3D-printers
Fabrikanten van 3D-apparatuur zagen deze ontwikkeling al aankomen en zijn nu in hoog tempo bezit om koolstofmaterialen in hun apparatuur in te bouwen. Het vergt weinig betoog waarom. Grafeen kan je in feite atoomlaagje voor atoomlaagje op elkaar leggen. Koolstofnanovezels zijn een goed alternatief voor metalen geleiders. De kans is dus zeker aanwezig dat je nieuwe televisie wordt geprint in de winkel terwijl je wacht.

Koolstof overal voor het grijpen
We zeiden het al: koolstof is letterlijk overal om ons heen. letterlijk voor het grijpen. In de lucht bijvoorbeeld, in de vorm van kooldioxide, waar er volgens broeikaspessimisten veel te veel van is. In de vorm van steenkool zijn er onafzienbare voorraden onder de grond. Biomassa, kalksteen, carbonaten opgelost in zeewater – noem maar op.

Kortom: de angsten van de Club van Rome en onze gewaardeerde collega’s van Cassandra Club over het uitgeput raken van metalen blijken vermoedelijk onterecht. In feite zijn onze problemen te herleiden tot een energieprobleem. Dus laten we daar snel wat aan gaan doen in plaats van ons druk te maken over onbelangrijke bijzaken.

T-koolstof kan je het beste zien als poreuze diamant.

T-koolstof belooft waterstofrevolutie

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 23 april 2011

T-koolstof, zoals de nieuwe vorm heet, is bijna zo sterk als diamant, maar erg poreus. Het materiaal kent een aantal opmerkelijke eigenschappen. Zo is het ideaal om waterstof in op te slaan. Betekent dit een doorbraak voor de waterstofauto?

Koolstof: veelzijdig element
Koolstof is vermoedelijk het veelzijdigste chemische element. De atoomsoort vormt het skelet van zo ongeveer de hele biochemie (dus alle leven) op aarde en er zijn talloze vormen waarin koolstof voor kan komen. Naast diamant en grafiet zijn ook fullerenen (een moleculaire voetbal) en koolstofnanobuisjes bekend. Het “wondermateriaal” grafeen is in feite een laagje grafiet van een atoom dik, beschikt over een aantal zeer bijzondere eigenschappen (de enorme treksterkte bijvoorbeeld, vijf keer die van staal) en is geschikt om in veel toepassingen staal te vervangen.

T-koolstof kan je het beste zien als poreuze diamant.
T-koolstof kan je het beste zien als poreuze diamant.

Waterstofopslag
Er is nu door Xian-Lei Sheng, Qing-Bo Yan, Fei Ye, Qing-Rong Zheng, and Gang Su van de Graduate University van de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing, een nieuwe loot ontdekt aan de reeds vruchtbare stam van koolstofvarianten. T-koolstof bestaat uit een soort vlechtwerk van koolstofatomen waartussen zich grote poriën bevinden. In feite is het diamant, waarbij elk koolstofatoom is vervangen door een tetraëder (driehoekige piramide) van vier koolstofatomen. Het gevolg daarvan is dat er grote open ruimtes ontstaan tussen de tetraëders waar zich moleculen van andere stoffen, bijvoorbeeld waterstof, tussen kunnen wurmen. Waterstof bevat heel veel energie per gram maar is zelfs als vloeistof zeer licht: een liter waterstof heeft een massa van zeventig gram. Een materiaal als dit zou het mogelijk maken waterstof effectief samen te persen.

Luchtige halfgeleider
T-koolstof heeft nog meer opmerkelijke eigenschappen, zo wijzen berekeningen uit. Het materiaal is stabiel bij kamertemperatuur en is een halfgeleider. De luchtige samenstelling biedt nog extra toepassingsmogelijkheden. Zo zou het materiaal met enige wijzigingen wellicht te gebruiken kunnen zijn als batterij of katalysator voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Omdat het zowel luchtig als sterk is (tweederde keer zo sterk als diamant) , is het zeer interessant voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.

Bestaan stofnevels uit deze vorm van koolstof?
Koolstofrijke nevels absorberen veel meer licht dan theoretisch kan, uitgaande van de hoeveelheid koolstof in de nevels. De onderzoekers veronderstellen dat mogelijk T-koolstof hier verantwoordelijk voor is. Door de holtes in het materiaal worden veel meer lichtgolven ingevangen en uiteindelijk geabsorbeerd. Ook wordt wellicht gezocht naar de verkeerde koolstofvormen, waardoor koolstof lijkt te ontbreken. Ook koolstofrijke exoplaneten als WASP-12B zouden voor een belangrijk deel uit deze nieuwe koolstofallotroop kunnen bestaan.

Volgende stap: synthese
Het viertal wil nu proberen het theoretisch voorspelde materiaal daadwerkelijk in een lab te produceren. Dit belooft een zeer taaie klus te worden, immers hiervoor moet diamant, het hardst bekende materiaal  worden geëxpandeerd. Een andere techniek die de onderzoekers voorstellen, koolstofdampdepositie, eventueel met een later te verwijderen stof er tussen, lijkt kansrijker.

Bronnen:
PhysOrg
Physical Review Letters

De koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op.

Koolstofplaneet: steeds meer bewijs voor koolstofplaneten

4 reacties / Wetenschap / Door / 19 februari 2021

De atmosfeer van de koolstofplaneet WASP12B bevat in tegenstelling tot bijvoorbeeld de aarde, meer koolstof dan zuurstof, ontdekten onderzoekers met de ruimtetelescoop Spitzer.

Eivormige gasreus

De planeet WASP 12B staat op 871 lichtjaar van de aarde en staat veertig maal dichter bij zijn zon dan de aarde: vier miljoen kilometer. De atmosfeer is extreem heet – boven de tweeduizend graden. Een jaar op WASP 12B duurt daarom ongeveer een aardse dag. De ster is iets groter dan de zon. De getijdekrachten zijn op die korte afstand enorm, waardoor de planeet een eivorm krijgt. Al eerder is ontdekt dat de planeet, anderhalf keer zo zwaar als Jupiter, langzaam wordt opgeslokt door zijn zon.

De eerst ontdekte koolstofplaneet? De eivormige, koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op.De koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op.
De eerst ontdekte koolstofplaneet? De eivormige, koolstofrijke gasreus WASP 12b gloeit door de hoge temperatuur oranje op. – NASA/JPL-Caltech

Koolstofplaneet: meer koolstof dan zuurstof

Bijzonder is de samenstelling. De atmosfeer van de koolstofplaneet bevat in tegenstelling tot bijvoorbeeld de aarde vooral methaan en koolmonoxide, dus meer koolstof dan zuurstof, ontdekten onderzoekers met de ruimtetelescoop Spitzer. Wetenschappers denken daarom dat de planeet, een hete Jupiter, een inwendige heeft van diamant en carbides, andere extreemharde koolstofverbindingen.

De ontdekking is onverwacht. De populairste bestaande planeetvormingsmodellen gaan namelijk niet uit van het bestaan van koolstofplaneten. Dit is het eerste experimentele bewijs van een controversiële theorie van astronome Jade Bond. Een koeler neefje van WASP 12B op leefbare afstand van de zon zou daarom wel eens meer weg kunnen hebben van een olieramp dan een tweede aarde. Denk dan bijvoorbeeld aan zeeën en oceanen van olie en andere koolwaterstoffen. Een warmere vorm dus van de grootste maan van Saturnus, Titan, waar er methaanmeren voorkomen.

Een koolstofplaneet kent waarschijnlijk oceanen van teer en een korst van steenkool, carbides en diamant.
Een koolstofplaneet kent waarschijnlijk oceanen van teer en een korst van steenkool, carbides en diamant.

Leven op een koolstofplaneet

In theorie is leven op een koolstofplaneet mogelijk, al zal het leven het niet makkelijk hebben. Weliswaar is koolstof geen probleem, maar water is schaars. Er zijn weinig stoffen, die de functie van water over kunnen nemen. Voedingszouten lossen niet op in olie. Op aarde komen bacteriën voor in oliereservoirs, maar deze groeien op de grens van de aardolie en het water. Deze bacteriën zetten de olie om in teer.