Grafeen: een veelbelovend nieuw materiaal, gemaakt van gewone, oude koolstof.

22 april 2020
Geen opmerkingen
339 views

Zoals Mikaël Fogelstrom in zijn TED Talk treffend aangeeft, zijn materialen sinds het begin van de geschiedenis de grondlaag voor vooruitgang in de technologie. We maakten gereedschap eerst van steen, daarna van brons en daarna van ijzer. Later hebben we technologie ontwikkeld om materialen af te breken tot hun atomen en van daaruit nieuwe gereedschappen te bouwen. Het gaf ons silicium en de halfgeleider en de onderling verbonden moderne wereld waarin we nu leven.

Het nieuwe en waanzinnig veelbelovende materiaal is eigenlijk niets bijzonders en bestaat al eeuwenlang. Het is een zeer interessante structurele variëteit van gewone oude koolstof (ook wel allotroop genoemd). Koolstof heeft veel allotropen, zoals diamant, maar de meest voorkomende allotroop van koolstof is eigenlijk grafiet, dat wordt gebruikt om bijvoorbeeld potloden te maken. Op atomair niveau bestaat grafiet in wezen uit gestapelde vellen koolstofatomen. Een enkel vel grafiet wordt grafeen genoemd en het heeft nu een aparte naam omdat grafeen op zich totaal andere elektrische, thermische en fysische eigenschappen heeft dan wanneer de vellen in grafiet worden gestapeld.

De creatie van grafeen

Graphene layersGrafeen is sinds 1947 getheoretiseerd, maar het heeft tot 2004 geduurd om slechts één enkele laag grafiet in een laboratorium te isoleren. Op de Universiteit van Manchester gebruikten Andre Geim en Kostya Novoselov plakband om lagen grafiet op te tillen en op een ander materiaal aan te brengen. Ze herhaalden dit proces tot ze een laag hadden die slechts één atoom dik was: grafeen.

Hun werk werd als baanbrekend beschouwd en de verwachtingen dat grafeen de wereld zou veranderen, waren buitengewoon. Geim en Novoselov wonnen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk, hoewel grafeen in die tijd nog steeds zijn toepassingspotentieel moest bewijzen en de productiekosten zwaarder wogen dan het rendement op de investering.

Dus waarom is grafeen zo interessant?

Om te beginnen, als vellen grafeen voldoende atomen bevatten, worden ze sterker dan staal . Ten tweede, omdat het maar één atoom dik is, is het extreem licht. Deze twee fysische eigenschappen maken grafeen interessant voor allerlei toepassingen in de bouw.

Maar misschien nog wel veelbelovender dan de fysische eigenschappen zijn de elektrische eigenschappen; grafeen is zeer geleidend, zelfs bij kamertemperatuur. In combinatie met zijn tweedimensionale structuur maakt deze elektrische eigenschap grafeen zeer interessant als mogelijk alternatief voor silicium in de micro-elektronica. Er wordt voorspeld dat silicium zijn grenzen heeft bereikt als het gaat om schaalgrootte; grafeen zou veel kleiner kunnen worden dan silicium ooit kan.

Bij MIT, wordt grafeen getest als waterfilter, waarbij zout water wordt ontzout en er fris drinkbaar water overblijft. Dit experiment kan allerlei zuiveringstoepassingen met behulp van grafeentechnologie mogelijk maken. Experimenten uitgevoerd door de Rice University en de Moscow State University hebben aangetoond dat grafeenoxide snel radioactief materiaal kan absorberen uit vervuild water.

Onderzoekers van UCLA hebben een techniek om grafeen-supercondensatoren te gebruiken die in slechts een fractie van de tijd kunnen opladen die conventionele batterijen nodig hebben om op te laden. Hoewel batterijen voor lege telefoons tot het verleden behoren, kan dezelfde technologie worden gebruikt voor pacemakers en elektrische auto’s.

In de consumentenmarkt kunnen de geleidende eigenschappen van grafeen ook worden toegepast in de aanraaktechnologie, waardoor plastic aanraakschermen voor mobiele telefoons een serieus alternatief vormen voor de huidige, zeer breekbare, glazen aanraakschermen.

In zijn TEDxBrussels talk in 2014, maakte Jonathan Coleman grafeen op het podium van potloden en een keukenmixer en legde toepassingen uit zoals grafeen geprinte lichtsensoren, met grafeen doordrenkte elastieken die dienen als zeer gevoelige bewegingssensoren die kunnen worden gebruikt om de spierspanning te meten en de ademhaling van pasgeborenen te kunnen volgen.

De toekomst van grafeen

Al met al is grafeen een potentieel supermateriaal, ware het niet dat de kosten voor de productie in pure vorm in grote hoeveelheden hoog zijn. Gelukkig zijn de onderzoekers, sinds de plakbandtechniek die duidelijk niet geschikt is voor massaproductie, blijven werken aan alternatieven en is kwalitatief hoogstaand grafeen relatief eenvoudig te isoleren in steeds grotere hoeveelheden.

Door de kosten van de massaproductie van grafeen te verlagen, kan het volledige potentieel van dit materiaal eindelijk worden ontsloten. Grafeen zal de huidige materialen vervangen en in de toekomst zullen de eigenschappen van grafeen toekomstige toepassingen mogelijk maken die we ons nu nog niet eens kunnen voorstellen.


Wilt u meer?

Wilt u meer? Wees niet bedroefd dat het artikel voorbij is! We hebben nog veel meer spannende dingen om met je te delen. Abonneer u op onze tweemaandelijkse nieuwsbrief en we houden u op de hoogte van ons laatste nieuws!


Dagmar Ottevangers

Laat een reactie achter

Gelieve in te loggen of registreer om een reactie na te laten.