koolstofnanobuisjes

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 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.