scheikunde

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

‘Grafyn vaak beter dan wondermateriaal grafeen’

1 reactie / Techniek, Wetenschap / Door / 12 april 2012

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)

Alleen het ontbreken van een goede betaalbare accu voorkomt dat elektrische auto's doorbreken. Daar gaat volgens IBM nu verandering in komen.

Elektrische auto met meer bereik dan een benzineauto

12 reacties / Ideeën en techniek, Techniek / Door / 13 januari 2012

Eén van de grootste nadelen van een elektrisch voertuig is het gevaar dat de accu uitgeput raakt terwijl je aan het rijden bent. IBM beweert nu een fundamenteel probleem opgelost te hebben, waardoor een batterij met een bereik van maar liefst 800 km binnen bereik komt. Dit is meer dan het bereik van een benzineauto.

Korte levensduur remde doorbraak lithium-lucht batterij
Standaard elektrische voertuigen gebruiken een lithium-ion batterij, die veel ruimte in beslag nemen in ruil voor maar weinig kilometers. Alleen de allerbeste modellen overtreffen de 160 km rijafstand.

Alleen het ontbreken van een goede betaalbare accu voorkomt dat elektrische auto's doorbreken. Daar gaat volgens IBM nu verandering in komen.
Alleen het ontbreken van een goede betaalbare accu voorkomt dat elektrische auto's doorbreken. Daar gaat volgens IBM nu verandering in komen.

Een nieuw model, bekend als de lithium luchtcel is aantrekkelijker omdat de theoretische energiedichtheid maar liefst 1000 maal groter is dan die van het lithium-ion type, evenveel als een benzineauto. Lithium-luchtcellen hebben een positieve elektrode bestaande uit koolstof in plaats van zware metaaloxides, dus is veel lichter. Deze reageert met zuurstof uit de lucht, wat de energie levert. Het probleem is dat chemische instabiliteit hun levensduur beperkt, waardoor ze onpraktisch zijn om in auto’s te gebruiken. Aldus natuurkundige Winfried Wilcke van IBM’s Almaden lab in San Jose, Californië.

Supercomputer vindt elektrolyt die niet door zuurstof wordt aangetast
Wilcke bestudeerde daarom de elektrochemie van deze batterijen door middel van massaspectrometrie. Hij ontdekte de oorzaak voor de chemische instabiliteit. De zuurstof reageert niet alleen met de koolstofelektrode,  zoals bekend, maar ook met de elektrolytische transportvloeistof, die de ionen van de ene elektrode naar de andere transporteert. Dat is niet de bedoeling. Immers, als de zuurstof ook met de elektrolyt zelf reageert, raakt deze uiteindelijk uitgeput (de oorzaak voor de korte levensduur). Op dit vraagstuk lieten hij en zijn collega Alessandro Curioni van IBM’s onderzoekslab in het Zwitserse Zürich, de befaamde IBM supercomputer Blue Gene los om de reacties tot in het kleinste detail na te rekenen, zodat alternatieve elektrolyten gevonden konden worden. Hierbij werd uitgegaan van een kwantummodel van de betrokken atomen en moleculen.

Prototype in 2013; batterij op de markt in 2020
De zoektocht leverde resultaat op. Wilcke meldt nu een zeer veelbelovende component gevonden te hebben. Om begrijpelijke redenen houdt hij geheim om welk materiaal het gaat, maar volgens hem zijn er al verschillende onderzoeksprototypes gedemonstreerd. IBM stuurt Battery 500 aan, een Amerikaans samenwerkingsverband van vier Amerikaanse staatsonderzoeksinstellingen en commerciële instellingen. IBM hoopt een prototype op schaal gereed te hebben in 2013, terwijl de eerste commerciële batterijen rond 2020 op de markt zullen verschijnen.

Gemakkelijk zal dat niet worden. Zo moet er een methode worden bedacht om de batterij te beschermen tegen vochtige lucht. Lithium vliegt namelijk spontaan in brand als het in water terechtkomt.

Bron:
Air Battery to let electric cars outlast gas guzzlers, New Scientist (2012)

Het "onmogelijke" materiaal vormt een soort honingraat en verandert bij verhitting in een soort opaalachtig materiaal.

Chemici fabriceren “onmogelijk” materiaal

3 reacties / Wetenschap / Door / 26 april 2011

Poreus hydrosilica zou volgens de gevestigde theorie uiteenvallen in een stabiele vorm. Bij een experiment werd het tegendeel aangetoond. Ook grafeen, de atoomdikke laagjes grafiet die op dit moment erg hot zijn, werden ooit als “onmogelijk” beschouwd…

Het "onmogelijke" materiaal vormt een soort honingraat en verandert bij verhitting in een soort opaalachtig materiaal.
Het "onmogelijke" materiaal vormt een soort honingraat en verandert bij verhitting in een soort opaalachtig materiaal.
‘Onmogelijk’ blijkt toch mogelijk
Wie ooit op een warme dag met blote voeten over het strand loopt, heeft al intiem kennis gemaakt met de meest voorkomende vorm van siliciumoxide. Zand bestaat voor het grootste deel uit kwarts (siliciumdioxide); een zeer hard, dicht materiaal dat een groot deel van de aardkorst uitmaakt. Er bestaan echter ook andere soorten siliciumoxide. Zo is er periodiek mesoporeus hydrosilica – een materiaal waarin naast silicium en zuurstof, ook waterstofatomen voorkomen en dat ongeveer voor de helft van het volume uit lege ruimte bestaat. De stof ziet er op atoomniveau uit als een soort heel lange honingraat – zeshoekige buizen die in een honingraatstructuur gepakt zijn.

Onmogelijk, zeggen traditioneel scheikundige theorieën. De stof zou vrijwel direct samenklappen tot een dichte vorm van hydrosilica, waarin de holtes verdwijnen zodra de hulpstof (die de holtes openhoudt) uit het rooster verdwijnt. In een experiment bleken de holtes echter intact te blijven. Dit heeft, denken de onderzoekers, te maken met de aanwezigheid van de waterstofatomen, die waterstofbruggen vormen en zo de holtes stabiliseren.

Vanwege de bizarre chemische eigenschappen van de holtes binnen het materiaal denken scheikundigen dat er wel eens veel compleet nieuwe moleculen en materialen kunnen worden gefabriceerd met behulp van de stof, die tot nu toe ondenkbaar werden geacht. Kortom: het ene “onmogelijke” materiaal komt zo mogelijk voort uit het andere.

“Onmogelijk” materiaal verandert in lichtbron
Als de temperatuur tot boven de driehonderd graden wordt gebracht, ondergaat het materiaal een “metamorfe” transformatie. Als gevolg hiervan ontstaat een materiaal met een gecompliceerde nanostructuur,waarbij het silicium-silicaatsubstraat dicht bezaaid is met kleine, helder oplichtende, regelmatig verdeelde  fotoluminescente nanokristallen: nanodots, een soort kunstmatige atomen vormen. De nanokristallen kunnen denken de onderzoekers waarschijnlijk worden gebruikt als LED, in zonnecellen en/of als biologische sensors.

Bronnen
Journal of the American Chemical Society
PhysOrg

In dit moderne kunstwerk is een Voronoi diagram gebruikt voor een opbergkast.

Het Voronoi automaton

1 reactie / Wetenschap / Door / 20 april 2011

Stel je voor, een vat vol belletjes met chemicaliën met een primitief bewustzijn, waar als het ware uit het niets een ingewikkeld apparaat of ontwerp uit opdoemt. Science fiction? Niet lang meer, als het aan de onorthodoxe computervisionair Andrew Adamatzky ligt.

Rekenen met vloeistofblaasjes. Zien computers er ooit zo uit?
Rekenen met vloeistofblaasjes. Zien computers er ooit zo uit?

Denkende mayonaise?
Bij bepaalde mengsels met chemicaliën, denk aan mayonaise, deelt de vloeistof zich op in “cellen” met een vloeistofmengsel (de olie in mayonaise), die gescheiden worden door een celwand (water en eiwitten in mayonaise). Er bestaan bepaalde mengsels met chemicaliën met bijzondere eigenschappen. Denk bijvoorbeeld aan de Belousov-Zhabotinsky reactie die autokatalytisch is.

Als twee “vaatjes” met chemicaliën door een lekkende celwand met elkaar kunnen communiceren, kunnen ze een paar signaalmoleculen doorgeven die de chemische omzetting in de buurcel in gang zetten. Wat dan ontstaat is een soort primitieve chemische computer. Wees overigens niet bang dat je pot mayonaise slimmer is dan jij en dat je iemand anders vermoordt dan alleen, langzaam, jezelf, als je een flinke lik ongezonde smurrie op je frites deponeert. De plantaardige olie in mayonaise (die de cellen vormt) is chemisch gezien inert, de reden dat mayonaise zo lang goed blijft.

Bij speciale mengsels chemicaliën is dat anders. Deze kunnen (afhankelijk van de complexiteit en samenstelling) informatie uitwisselen via “golven” en berekeningen uitvoeren. Tot nu toe is dit al gelukt in regelmatige structuren cellen, zoals in een honingraatstructuur. Helaas is het erg lastig deze te produceren. Vandaar dat Adamatzky en zijn collega’s zich de vraag hebben gesteld: zijn deze fenomenen nog steeds mogelijk als de cellen zich in een onregelmatig patroon zouden bevinden, zoals de zeepbellen in badschuim bijvoorbeeld?

In dit moderne kunstwerk is een Voronoi diagram gebruikt voor een opbergkast.
In dit moderne kunstwerk is een Voronoi diagram gebruikt voor een opbergkast.

Voronoi diagram
Er bestaat een algoritme om een plat vlak in onregelmatige ruimtes onder te verdelen. Wat dan ontstaat is een Voronoi diagram. Voronoi-achtige structuren komen ook veel voor in de natuur, denk aan de vlekken van een giraffe of het netwerk op bepaalde boleten. Adamatzky belsoot uit te zoeken of informatieverwerking ook mogelijk was in een driedimensionaal Voronoi-diagram van automata. Voor informatieverwerking doet het alleen ter zake hoe  de informateverwerkende eenheden onderling verbonden zijn: hun topologie.

Bij regelmatige structuren heeft elke cel een gelijk aantal buren. Er is in experimenten aangetoond dat ze bepaalde problemen op kunnen lossen, zoals de kortste weg door een doolhof vinden.
In een twee- of driedimensionaal Voronoidiagram varieert dat aantal uiteraard en was het niet zeker dat berekeningen hiermee mogelijk waren. In een artikel, zowel ondersteund door theoretische berekeningen als laboratoriumexperimenten, toonden Adamatzky en zijn collega’s echter aan dat ook deze onregelmatige cellen wel degelijk in staat zijn tot berekeningen, onder meer het berekenen van de Voronoivormen rond tweedimensionale voorwerpen en het berekenen van skeletten uit vormen.

Toepassingen
Ze denken dat het mogelijk is om later parallelle computers op nanoschaal te construeren. Ook kan je denken aan nieuwe fabricagetechnieken van complexe composieten en andere materialen waarbij een nanostructuur gewenst is. In sommige cellen kunnen bijvoorbeeld polymeren uitharden als ze het eindresultaat van een berekening vormen. Zouden Voronoi-achtige netwerken primitieve informatieverwerkende netwerken in eencelligen kunnen vormen? Waren de eerste levende wezens samenwerkende pockets chemicaliën met een primitieve stofwisseling? Food for thought…

Bronnen
Arxiv
Arxiv Blog