materiaalkunde

Sterkste materiaal ooit voorspeld

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.

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)

Video: meter verspringende kristallen

De kristallen in de video hieronder springen afstanden tot duizend maal hun lengte. De energiebron: UV-licht. Hebben we nu eindelijk een geschikte motor voor nanomachientjes gevonden? Een aantal onderzoekers van New York University denkt van wel.

Een van de grootste hinderpalen voor de doorbraak van actieve nanotechnologie is het gecompliceerde vraagstuk van de voortbeweging en aansturing van nanomachines. Ontwerpen die in het dagelijkse leven goed werken, functioneren op nanoschaal vaak niet meer. Onder meer omdat kwantumeffecten roet in het eten gooien en de materiaaleigenschappen op zeer kleine schaal sterk veranderen. Dit geldt onder meer voor elektromotoren, die de krachtbron vormen van de meeste apparaten op menselijke schaal.

Pance Naumov van New York State University, vestiging Abu Dhabi, ontdekte in 2010 dat licht op bepaalde kristallen merkwaardige effecten had. Kristallen van een bepaald groen fluorescerend eiwit bogen onder de invloed van zwakke belichting meer dan negentig graden. Hij besloot er met zijn collega’s in te duiken. Kristallen met Co(NH3)5(NO2)]Cl(NO3), een complex zout bestaande uit kobalt-, ammonium-, nitriet-, chloride- en nitraationen, bleken nog veel feller op licht te reageren.  Het effect lijkt veroorzaakt te worden doordat UV-licht verstoringen in de kristallen aanbrengt, die zich ophopen en op een gegeven moment explosief ontladen. Een sterke stralingsintensiteit laat de kristallen al binnen enkele seconden springen, bij een zwakke UV-belichting duurt dit rond de 20 seconden. Bij sommige kristallen leidt dit zelfs tot het uiteenspatten. De onderzoekers verwachten dat dit mechanisme gebruikt kan worden om zeer kleine machines mee aan te drijven. Met andere woorden: ze kunnen werken als een kunstmatige spier.

Bron
Dynamic Single Crystals: Kinematic Analysis of Photoinduced Crystal Jumping (The Photosalient Effect), Angewandte Chemie (2013)m DOI: 10.1002

Dysprosiumschaarste bedreigt Groene Economie

Elektromotoren en elektrische dynamo’s zoals in windmolens zijn alle afhankelijk van vooral twee elementen: neodymium en dysprosium. Alleen metaallegeringen met deze twee ‘zeldzame aarden’ leveren magneten op die voldoende sterk en licht zijn voor efficiënte elektromotoren. China, verreweg de belangrijkste producent, draait nu de kraan dicht omdat het land de schaarse dysprosiumvoorraden vooral aan de eigen industrie gunt. Vinden we op tijd alternatieven?

Links een neodymiummagneet, rechts een ouderwetse ferromagneet, Beide magneten hebben voldoende trekkracht om 3 kg zwevend te houden.

Waarom zijn neodymium en dysprosium zo belangrijk?
Neodymium en dysprosium zijn allebei atoomelementen die behoren tot de groep zeldzame aarden. Erg zeldzaam zijn ze weliswaar niet, er is bijvoorbeeld ongeveer evenveel neodymium als koper of nikkel op aarde, maar het probleem is dat er maar weinig operationele mijnen zijn waar deze metalen gewonnen worden. Tot begin jaren negentig waren beide metalen obscure stoffen, die slechts voor een handvol toepassingen werden gebruikt, maar dat veranderde toen metallurgen opmerkelijke eigenschappen ontdekten. Zo creëerden ze van neodymium-legeringen de sterkste permanente magneten ooit. Vooral als een snuifje dysprosium toegevoegd wordt, neemt de sterkte van het magneetveld enorm toe, tot 1,3 tesla en verbetert de stabiliteit bij hogere temperaturen. Als je bedenkt dat het magneetveld in een MRI-scanner, dicht in de buurt van het sterkste permanente magneetveld dat wetenschappers kunnen opwekken, rond de 15 tesla sterk is, besef je hoe extreem sterk deze magneten zijn. Als zeldzame aarden-magneten op elkaar afvliegen versplinteren ze elkaar door de enorm sterke aantrekkingskracht, wat ernstige ongelukken kan veroorzaken. Deze sterke, lichte magneten maken de elektromotoren waar ze deel van uitmaken ook sterk en licht, wat ze gewild maakt in bijvoorbeeld windmolens en elektronische auto’s. Deze slokken werkelijk enorme hoeveelheden van deze metalen op.

Chinees monopolie
China beschikt over een bijna-monopolie op deze zeldzame aardmetalen. Maar liefst 99% van alle neodymium komt uit Chinese mijnen. In de jaren negentig en later concurreerden de goedkoop producerende Chinese mijnen de concurrentie uit de rest van de wereld weg. Nu de vraag naar windmolens en zuinige, lichte elektronotoren explosief stijgt, stijgt ook de vraag naar neodymium en dysprosium enorm. China heeft om die reden hoge exportheffingen opgelegd om zo fabrikanten van magneten en elektromotoren te dwingen naar China te komen. Vanzelfsprekend zijn andere industriële grootmachten, zoals de EU, Japan en de VS, hier verre van blij mee. Echter, erg veel zin om in te binden hebben de Chinese leiders met dit letterlijk meer dan ijzersterke (Neo magneten zijn, zie plaatje, ordes van grootte sterker dan ferromagneten) onderhandelingsmiddel begrijpelijkerwijs niet, dus broeden de Amerikanen op alternatieven. Zo worden er nu in Canada en Australië ooit uit bedrijf genomen mijnen met zeldzame aarden weer in gebruik genomen. Of dit op tijd zal zijn, vragen critici zich echter af. Al voor 2015 wordt een structureel dysprosiumtekort verwacht, volgens een rapport van het Amerikaanse Ministerie van Energie. Ook als de Chinese overheid geen exportbeperkingen zou instellen, zou dit probleem spelen.

Alternatieve magnetische materialen?
De beste oplossing is uiteraard, om een superieur magnetisch materiaal te ontwikkelen dat bestaat uit veelvoorkomende chemische elementen als bijvoorbeeld koolstof, ijzer of nikkel. Het precieze proces waardoor complexere materialen magnetische eigenschappen gaan vertonen, is over het algemeen nog slecht begrepen. Er moeten zich bepaalde elektrische onevenwichtigheden vormen die periodiek bewegen waardoor  er een permanent magneetveld ontstaat. Ferromagnetische materialen zoals ijzer en nikkel bezitten deze eigenschap van nature, door de eigenschappen van het atoom in kwestie. In bepaalde andere materialen komt magnetisme voor terwijl de atomen zelf niet magnetisch zijn. Op dit moment vindt er veel onderzoek plaats op dit gebied, waarbij supercomputers doorrekenen aan de hand van de berg aan bekende gegevens over atomaire samenstelling en magnetische eigenschappen van bepaalde materialen, hoe het magnetisme tot stand komt. Het aantal atoomelementen met magnetische eigenschappen is maar beperkt. Materiaalwetenschappers en metallurgen hopen door een ‘brute force’ benadering waarbij er werkelijk miljarden combinaties worden doorgerekend, op interessante kandidaten te stuiten – een materiaal dat zeer sterke magnetische eigenschappen heeft maarbestaat uit veel voorkomende atomen.

Zwarte-gat laser ontwikkeld

Je kan licht versterken door het heen en weer te laten kaatsen tussen de waarnemingshorizonnen van een zwart en een wit gat. Fysici hebben nu een methode bedacht om een dergelijke ‘zwarte gat’ laser in een laboratorium na te bouwen.

De laatste jaren is ontdekt dat in bepaalde metamaterialen, dat zijn materialen die niet massief zijn maar een complexe structuur kennen en bijvoorbeeld een negatieve brekingsindex kunnen bezitten, gebruikt kunnen worden om een model te bouwen van bijvoorbeeld ruimtetijd, andere universa met exotische dimensies  en verschijnselen als zwarte gaten. De reden is dat ze wiskundig gezien op dezelfde wijze worden beschreven. Doorgaans wordt hier gebruik gemaakt van de optische eigenschappen van deze materialen. Naar blijkt, is het mogelijk een optisch ‘zwart gat’ te construeren, dat zelfs Hawkingstraling afgeeft.  Chinese natuurkundigen deden dat in 2009[1]. Deze analogie kan nog verder worden doorgetrokken. Niet alleen zwarte gaten, die alle licht of andere dingen die de waarnemingshorizon passeren opslokken, maar ook witte gaten, waarin niets achter kan blijven, blijken met metamaterialen na te bootsen. Ook deze witte gaten moeten dan, blijkt uit de wiskundige formules, Hawkingstraling afgeven. De Hawkingstraling van een reëel, stellair zwart gat is overigens veel te zwak om waar te nemen, laat staan op afstand. Van een zeer klein kunstmatig zwart gat treden er wel verschijnselen op die karakteristieken van Hawkingstraling hebben, al zijn deze waarnemingen nog behoorlijk omstreden.

Hawkinglaser
Stel dat Hawkingstraling werkeljk bestaat (waarop de kans per saldo vrij groot is, gezien zowel de algemene relativiteitstheorie i.c.m. kwantumechanica en de (omstreden) waarnemingen die daarop wijzen). Wat zou je er dan mee kunnen doen? Het antwoord: een laser mee bouwen, aldus een aantal onderzoekers.  Hun idee is om een zwart gat naast een wit gat te creëren, enkele honderden micrometers van elkaar gescheiden, en met behulp hiervan een kleine holte te fabriceren. In hun artikel laten ze zien dat als licht wordt afgevuurd in deze holte, het vanaf de causale horizon van een wit gat wordt gekaatst naar de waarnemingshorizon van een zwart gat en andersom. Nu gebeurt er iets interessants. Naar blijkt, zorgt elke reflectie voor een versterking. De Hawkingstraling wordt toegevoegd aan de bundel, waardoor deze wordt versterkt. Dit proces is logaritmisch, zodat een kleine hoeveelheid licht een intense stralingsbundel produceert. Helaas voor Darth Vader en de Dark Emperor (en gelukkig voor ons en onze mooie, groene wereld) bestaan er in het ons bekende heelal voor zover we weten geen witte gaten – er is geen natuurkundig proces bekend waardoor deze zich kunnen vormen – maar deze must-have voor elke galactische veroveraar met destructieve neigingen kan wel op kleine schaal in het lab nagebouwd worden, zo blijkt uit berekeningen.

Zo werkt de voorgestelde opstelling. Een intense lichtpuls wekt in diamant zowel een optisch zwart gat als een optisch wit gat op. Hiertussen weerkaatst het licht. Bron:(2)

Licht vormt zelf gebeurtenishorizon
Overigens zijn Faccio en zijn groep niet de eersten (alhoewel wel de eerste die hiervoor witte gaten gebruiken). De briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Borisovich Zel’dovich beschreef al decennia eerder een zogeheten zwarte gat bom, een zwart gat omringd door een schil, die ook van dit amplificerende effect van Hawkingstraling gebruik maakte. Wat hun prestatie echt uniek maakt, is dat ze laten zien hoe dit instrumnt ook echt in het lab gebouwd kan worden. Ze wijzen erop dat de refractieindex van bepaalde materialen afhangt van hoeveel licht er doorheen valt. Met andere woorden: licht verandert de refractieindex. Als je iets afweet van natuurkunde gaat er nu een belletje rinkelen. Immers: ook voor massa geldt dat deze de kromming van ruimtetijd beïnvloedt. Hierdoor ontstaat dus een zeer interessante analoog aan ruimtetijd, waarin het licht de rol van massa vertegenwoordigt en de refractieindex de kromming van ruimtetijd.  Een zeer intensieve bundel zal dus een enorm steile gradiënt veroorzaken in het materiaal. Zo steil zelfs dat licht niet meer kan ontsnappen, m.a.w. we hebben hier dan iets dat zich gedraagt als een gebeurtenishorizon. In feite kan een enkele puls zelfs twee fenomenen produceren: een zwart gat aan de voorkant en een wit gat aan de achterkant.

Zwart gat in diamant
De groep wil juist dit fenomeen gebruiken voor hun onderzoek. Volgens hen zou di mogelijk moeten zijn in optische golfgeleiders gemaakt van diamant. Ze hebben het model numeriek doorgerekend en volgens hen werkt het als verwacht. Op dit moment is het mogelijk diamant in elke gewenste vorm te laten groeien (al is het een zeer traag, energieslurpend en dus duur proces), dus zou het in principe mogelijk moeten zijn dit  idee in het lab uit te testen.  Een veelbelovend vooruitzicht. Want waarschijnlijk zijn er ook de nodige positieve toepassingen te bedenken voor dit unieke fenomeen.

Bronnen
1. Qiang Cheng, Tie Jun Cui, Wei Xiang Jiang, Ben Geng Cai, An electromagnetic black hole made of metamaterials, ArXiv (2009)
2. Daniele Faccio, Tal Arane, Marco Lamperti, Ulf Leonhardt, Optical Black Hole Lasers, ArXiv (2012)

Miljardenvondst aan diamanten in Siberische meteorietkrater

Volgens leden van de Russische Academie van Wetenschappen bevinden zich in de Popigai-krater in Oost-Siberië biljoenen karaat aan industriële diamant. Zou dit een ‘nieuw industrieel tijdperk’ in gang zetten, zoals de Russen beweren?

De Popigai-meteorietkrater. Bron: Wikimedia Commons.

Een kilo diamant per aardbewoner
Diamanten zijn in feite koolstofkristallen. Anders dan grafiet of steenkool is het kristalrooster van diamant zo solide dat het het hardste materiaal op aarde is, voor zover bekend. In Sovjettijden was reeds bij een kleine groep Sovjetwetenschappers bekend dat de Popigai-meteorietkrater, die 35 miljoen jaar geleden gevormd werd bij de inslag van een kleine asteroïde, enorme voorraden doamant bevatte. Na onderzoek van 0,3 procent van de oppervlakte van de Popigai-krater is reeds 147 miljard karaat diamant ontdekt, wat dus (aangenomen dat de dichtheid in de rest van de krater vergelijkbaar is met deze oppervlakte) neer zou komen op tientallen biljoenen karaat. Een karaat diamant is 0,2 gram, dus zou dit neerkomen op meer dan een kilogram diamant per aardbewoner. Een  veelvoud van de totale reserves aan industriële diamant die nu bekend zijn. Ook is dit type diamant twee keer zo hard als normale diamant.

Vertienvoudiging van wereldwijde diamantreserves
De ontdekking werd in de negentiger jaren gedeclassificeerd. Hierdoor konden geologen hun onderzoek voortzetten en de veranderde economische situatie maakte door asteroïdeinslag ontstane diamanten zeer gewild vanwege hun ongebruikelijke eigenschappen. Volgens Nikolai Pokhilenko van de Russische Academie van Wetenschappen zijn de eerste onderzoeksresultaten voldoende grond om te spreken over een, in zijn woorden, “mogelijke complete omverwerping van de complete wereldmarkt voor diamant”.

De reden: de aangetroffen diamantvoorraden in de Popigaiformatie zijn ongeveer tien keer zo groot als de complete wereldwijd bekende reserves. Ter vergelijking: de enorme Russische deelrepubliek Jakoetië, waar de meteorietkrater gedeeltelijk in ligt, met 3 miljoen vierkante kilometer een gebied groter dan West-Europa, herbergt slechts een miljard karaat diamant.Kortom: dit zou wel eens tot een enorme prijsdaling van industriële diamant kunnen leiden. Volgens wetenschappers is de hoeveelheid hier aangetroffen ruwe diamant voldoende om de wereld voor 3000 jaar van industriële diamant te voorzien. Als deze op grote schaal in de maakindustrie worden toegepast zou dit tot een industriële revolutie kunnen leiden. De reden: de extreme materiaaleigenschappen van diamanten maken het mogelijk met zeer hoge drukken en nauwkeurigheden te werken.

Volgens de Russen hebben veel grote internationale maatschappijen grote interesse in dit materiaal.

Bronnen
ITAR-TASS (2012)
Phys.org (2012)

Lichtste materiaal ooit ontwikkeld

Een materiaal zes maal lichter dan lucht. Wat kan je met een materiaal dat per liter slechts 0,2 gram weegt? Aerografiet kent nu al een aantal opmerkelijke toepassingen.

Aerografiet ziet er uit als een zwarte, transparante spons. Het materiaal is extreem licht en toch sterk.

Wat is aerogel?
In de jaren dertig werd voor het eerst een opmerkelijk materiaal ontwikkeld. Aerogels, ook we bekend als bevroren rook, bestaan bijna voor honderd procent uit lucht, maar zijn toch mechanisch opvallend sterk. Dit komt omdat de atomen van de dragende substantie zijn verdeeld als een netwerk, waardoor elk atoom een volledige bijdrage levert aan de mechanische sterkte van het materiaal. Dit verklaart waarom een materiaal dat vrijwel geheel uit lucht bestaat, qua sterkte toch maar weinig inlevert ten opzichte van massief materiaal. Aerogels isoleren ook erg goed, omdat warmte door het dunne netwerk moet stromen. Het gevolg is dat bepaalde types aerogel zo goed isoleren dat een huis, geïsoleerd met een dikke laag van deze aerogel, warm kan worden gehouden met een kaars.

Aerografiet
Aerografiet is zes maal zo licht als lucht. Dat is de opmerkelijke prestatie van professor Karl Schulte en Matthias Mecklenburg van de Technische Universiteit Hamburg en professor Rainer Adelung van de Christian-Albrechts-Universität te Kiel. Bijzonder aan aerografiet is dat het materiaal bestaat uit koolstofnanobuisjes in netwerkvorm. Zoals bekend behoren koolstofnanovezels tot de allersterkste vezels die we kennen. Het gevolg is dat de draagsterkte van het materiaal 35 maal zo groot is als een vergelijkbaar gewicht van een standaard aerogel: 1600 kg per vierkante meter. Dit maakt het materiaal ideaal voor toepassing in bijvoorbeeld de lucht- en ruimtevaart als schokdemper. Aerografiet kan tot factor duizend worden samengedrukt en weer terugveren tot de oorspronkelijke vorm. Alle vormen van grafiet, ook aerografiet, geleiden stroom. Dat maakt aerografiet ook geschikt als materiaal om extreem lichte batterijen van te ontwikkelen.

Bron:
1. Weltrekord: Das leichteste Material der Welt kommt aus Norddeutschland, persmededeling Technische Universiteit Hamburg, 2012
2. M. Mecklenburg et al., Aerographite: Ultra Lightweight, Flexible Nanowall, Carbon Microtube Material with Outstanding Mechanical Performance, Advanced Materials (2012)
3. Aerographite (Beta), Aerogel.org

‘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

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.

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)

De verpletterende koolstofrevolutie

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 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.

Computer bouwt zichzelf om

Kan een computer op een dag zichzelf ombouwen tot een heel nieuw apparaat? Een nieuw nanomateriaal is in staat elektrische stromen in drie dimensies te sturen.

Kwantumprocessen hinderen verdere miniaturisering
Dan maar de hoogte in. Dat denken steeds meer chipontwerpers, nu de componentjes van computers nog maar honderd atomen of minder breed zijn en ze nog kleiner maken betekent, dat kwantumeffecten informatie gaan verminken.
De nanodeeltjes gaan stroom geleiden als ze aan elkaar gaan klitten.

Materiaal bouwt zichzelf om
Het team van Northwestern University pakt het heel anders aan. Ze hebben elektronische materialen ontwikkeld die zichzelf kunnen herconfigureren, zodat ze verschillende rekenbehoeften kunnen vervullen bij verschillende gelegenheden. Zo zijn er bepaalde taken waarbij het heel handig is als je heel veel parallelle rekenkracht hebt (bij grafische toepassingen bijvoorbeeld), terwijl intensieve rekenklussen of taken waarbij juist heel veel geheugen nodig is, weer heel andere eisen aan een computer stellen. Eigenlijk wil je een computer die in staat is zichzelf hieraan aan te passen.

Het materiaal dat door onderzoeksleider prof. Bartosz A. Grzybowski en zijn team is ontwikkeld, laat toe dat elektrische stromen in diverse richtingen worden gestuurd, soms zelfs in een tegenovergestelde richting ten opzichte van een andere stroom.

Gouddeeltjes met positieve mantel

Het materiaal bestaat uit nanodeeltjes silicium en organische polymeren (i.e. op koolstofverbindingen gebaseerde lange molecuulketens) die naar keuze kunnen werken als een transistor, een gelijkrichter, een diode of een weerstandje.
Voor wie nu een glazige blik in de ogen krijgt: dit zijn de componentjes waaruit een computer bestaat. Wat deze ontdekking pas echt spectaculair maakt is dat deze naar believen in elkaar zijn om te zetten met elektrische pulsjes. Zo kan je de hardware van een computer compleet omprogrammeren en hoef je ookgeen dure chipsbakmachines te gebruiken: je programmeert ‘gewoon’ een klontje van dit materiaal op de gewenste manier. Denkende klei, als het ware dus.

Hoe werkt het materiaal?

Het hybride materiaal bestaat uit (elektrisch geleidende) gouddeeltjes, elk vijf nanometer in doorsnede (i.e. vijftig tot zeventig atomen), die op hun beurt zijn bedekt met een laagje positief geladen moleculen. De deeltjes worden omringd door negatief geladen atomen die de positieve ladingen op de deeltjes opheffen. Door stroom op het materiaal te zetten kunnen de negatief geladen atomen bewegen, maar de veel grotere positieve deeltjes niet.
Door deze zee van negatief geladen atomen te manipuleren, kunnen gebiedjes met een lage of juist hoge geleidbaarheid worden geschapen. Het gevolg is een geleidend pad dat elektronen in staat stelt door het materiaal te vloeien. Oude paden kunnen worden uitgewist en nieuwe gecreëerd door te duwen en te trekken aan de negatieve atomen. Door de deeltjes op een andere manier te rangschikken, kunnen ook complexere elektrische componenten zoals diodes en transistors worden geconstrueerd.
Uiteraard zal dit materiaal minder efficiënt zijn dan dedicated circuits, maar de enorme flexibiliteit maakt het goedje waarschijnlijk zeer interessant voor locaties waar je zelf niet makkelijk bij kunt. Denk aan het inwendige van kerncentrales, de diepzee of de ruimte.

Lees ook:

Bio-geïnspireerde coating stoot vrijwel alle vloeistoffen af

Wordt ramen lappen en ruitenwissers op de auto iets van het verleden? Met een nieuw materiaal, geïnspireerd op de vleesetende bekerplant, lijkt het er veel op. Er er zijn nog meer onverwachte voordelen…

Bekerplant ontwikkelt gladste biologische oppervlak ooit
Er is veel voor nodig om een insect als een mier aan het glibberen te krijgen. Het beestje beschikt over minuscule haartjes aan zijn poten, bovendien nog uitgerust met kleefkrachtige olie. Toch lukt het de vleesetende plant probleemloos. Geen insect, spin of zelfs kikker ontsnapt aan de dodelijke beker waarin de prooien worden omgezet in voedingszouten voor de plant. Het al langer bekende (en toegepaste) lotuseffect houdt de waterplant droog doordat kleine uitsteekseltjes waterdruppels op een afstand houden, maar werkt niet in extreme omstandigheden.

Bekerplanten, de diverse Nepenthes soorten, gebruiken een fundamenteel andere techniek. De plant kapselt een waterlaagje in, waardoor er een glad laagje op de top ontstaat. De vloeistof zelf wordt hiermee de afstotende laag.

Gladder dan glad: een zelfreparerend teflon oppervlak, geïmpregneerd met een geperfluoreerde vloeistof.

Onderzoekers kijken kunstje af van bekerplant
Dit zette onderzoekers aan het denken. Zouden zij het trucje van de plant niet kunnen herhalen? Dat laatste is Joanna Aizenberg van de Amerikaanse universiteit Harvard en haar collega’s gelukt. Hun synthetische coating SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surface) heeft zelfs  het topblad Nature gehaald[1]. Dat is niet voor niets. De vloeistofwerende coating blijft glad voor totaal verschillende vloeistoffen als water en olie. Zelfs bij hoge druk of temperaturen onder het vriespunt blijft de coating functioneren.   In omgevingen waarin hygiëne van zeer groot belang is, denk aan laboratoria en ziekenhuizen zal deze coating daarom waarschijnlijk met open armen ontvangen worden. In feite is deze coating overal waar het reinigen van oppervlaktes lastig is, denk aan de ramen van wolkenkrabbers, de voorruit van auto’s  of webcams op een onherbergzame plaats, toe te passen.

Teflon met geperfluoreerde vloeistof
De onderzoekers experimenteerden met verschillende materialen, maar teflon met hierin de geperfluorineerde vloeistof 3M Fluorinert FC-70 werkte het beste. Het materiaal blijkt zelfs ongevoelig voor kleine beschadigingen – de vloeistof vult alle gaten, waardoor het effect in stand blijft. Omdat vloeistof niet samengedrukt kan worden, is het materiaal ook zeer resistent tegen hoge druk[2]. Helaas is teflon wel vervelend spul – het wordt nauwelijks biologisch afgebroken[3] – maar bij spaarzaam gebruik van deze coating kan deze goede diensten bewijzen.

Bronnen
1. Joanna Aizenberg et al., Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity, Nature, 2011
2. Carnivorous plant inspires superslippery material, New Scientist (2011)
3. Teflon parts could cause the environment harm, Scientific American (2001)

Dutch