Wat is grafeen

Wat is grafeen?

Grafeen is een sterk, geleidend en flexibel en er wordt druk gezocht naar meer eigenschappen en toepassingen. Zal grafeen de wereld veroveren of  dezelfde weg bewandelen als koolstof nano buisjes?

Grafeen, het  materiaal dat de manier waarop o.a. elektronische onderdelen worden gemaakt kan veranderen en computers nog sneller kan maken, houdt elke onderzoeker in de wereld bezig vandaag de dag.

Recente nieuwe toepassingen zijn bijvoorbeeld het enorm versnellen van het internet, gebruik als aanraakgevoelige coating en het verlengen van de levensduur van elekronica. Grafeen is harder dan diamant en geleid elektriciteit beter dan welk ander materiaal. Het zal een grote rol gaan spelen in vele produkten en processen in de nabije toekomst.

Structuur van grafeen

Grafeen is gemaakt van een enkele laag koolstofatomen die in een repeterend patroon van zeshoeken aan elkaar gehecht zijn. Grafeen is een miljoen keer dunner dan papier, zo dun dat het eigenlijk wordt beschouwd als tweedimensionaal.

Koolstof is een ongelooflijk veelzijdig element. Afhankelijk van hoe de atomen zijn gerangschikt, kan het zich vormen tot harde diamanten of zacht grafiet. Grafeen’s vlakke honingraat patroon geeft het materiaal veel bijzondere kenmerken, waaronder dat van het sterkste materiaal ter wereld.  Je zou een olifant op een potlood moeten laten balanceren op een stuk grafeen ter dikte van een vel plastic huishoudfolie om er doorheen te zakken.

structuur van grafeen

structuur van grafeen

Deze enkelvoudige lagen koolstofatomen vormen de basis voor andere belangrijke materialen. Grafiet, oftewel potlood, wordt gevormd wanneer je grafeen stapelt. Koolstof nanobuisjes, een ander opkomend materiaal, zijn gemaakt van gewalst grafeen. Deze vorm ken je waarschijnlijk al als onderdeel van fietsen, tennisrackets, auto’s en zelfs bij het ontwikkelen van levend materiaal.

Hoe werd grafeen ontdekt?

De kans is groot dat je grafeen al vaak bent tegengekomen. Bij het teken van een lijn met een potlood zullen kleine stukjes grafeen afschilferen. Tot de vroege jaren 2000 had niemand de technische middelen of de interesse om grafeen op een betrouwbare manier vrijstaand te isoleren.

De theoretische eigenschappen van grafeen zijn bestudeerd in de jaren 1940. Op dat moment dachten wetenschappers dat een tweedimensionaal materiaal fysiek onmogelijk kon bestaan, waardoor het isoleren van grafeen niet werd nagestreefd. Decennia later is de interesse opgelaaid en begonnen wetenschappers te dromen over de mogelijke technieken om grafiet te strippen tot het niveau van grafeen. Ze probeerden de moleculen tussen twee lagen grafeen los te maken en door grafiet af te schrapen of door wrijving het grafeen los te maken maar het lukte niet om een enkele laag te verkrijgen. Uiteindelijk waren ze in staat om grafeen te isoleren op andere materialen, maar nooit los daarvan.

In 2002 raakte onderzoeker Andre Geim van de Universiteit van Manchester geïnteresseerd in grafeen en daagde een promovendus uit een stuk grafiet op te poetsen tot zo weinig mogelijk lagen. De student was in staat om een dikte van 1000 lagen te produceren, maar kon de doelstelling van 10 tot 100 lagen die Geim had gesteld niet halen. Geim probeerde een andere aanpak: tape. Hij plakte het op grafiet en pelde het weg tot schilfers van gelaagd grafeen. Door steeds weer met tape over hetzelfde stuk te gaan, kreeg hij uiteindelijk een stuk grafeen van 10 lagen dik. Het team van Geim werkte verder aan het verfijnen van hun techniek en uiteindelijk produceerde ze een enkele laag koolstofatomen. Ze publiceerden hun bevindingen in “Science” in oktober 2004. Geim en zijn collega Kostya Novoselov kregen 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk.

Sinds die eerste schilfers zijn gemaakt met behulp van tape, is de grafeen productie in een snel tempo verbeterd. In 2009 waren onderzoekers in staat om een ​​film van grafeen met een lengte van 30 centimeter te maken .

 Waarom is grafeen zo bijzonder?

Het proefschrift van Geim en Novoselov was razend interessant onder andere wetenschappers vanwege zijn beschrijving van de vreemde fysieke eigenschappen van grafeen. Elektronen bewegen ongelooflijk snel door grafeen en vertonen het gedrag alsof het materiaal geen massa heeft.

“Dat soort interactie binnen een vaste stof is, voor zover iemand weet, uniek voor grafeen, ” schreef Geim en een andere beroemde grafeen onderzoeker  Philip Kim , in 2008 in een artikel in Scientific American. “Dankzij dit nieuwe materiaal uit een potlood, is relativistische kwantummechanica niet langer beperkt tot de kosmologie of hogeenergie fysica, het is nu in het laboratorium.”

 

De bijzondere eigenschappen van grafeen stoppen niet met deze vreemde fysieke verschijnselen. Grafeen is ook:

Geleidend: Elektronen zijn de deeltjes die deel uitmaken van elektriciteit.  Dus als grafeen het mogelijk maakt om elektronen snel te verplaatsen, is het mogelijk om elektriciteit snel te verplaatsen. Het is bekend dat elektronen zich in grafeen 200 keer sneller verplaatsen dan in silicium omdat zij vrijwel zonder weerstand bewegen. Het is ook een uitstekende warmtegeleider. Grafeen vertoont deze geleidende eigenschappen onafhankelijk van de temperatuur en werkt dus ook bij kamertemperatuur.

Sterk: Zoals eerder vermeld, zou je gewicht van een olifant met een puntbelasting ter grootte van een potloodpunt nodig hebben om door een dun vel grafeen heen te breken. Het is zeer sterk dankzij zijn ononderbroken patroon en de sterke bindingen tussen de koolstofatomen. Zelfs als flarden van grafeen aan elkaar zijn gestikt, blijft het ‘t sterkste materiaal wat er is.

Flexibel: De sterke banden tussen grafeen koolstofatomen zijn ook zeer flexibel . Ze kunnen worden gedraaid, gebogen en en er kan tot op zekere hoogte aan worden getrokken zonder te breken. Dit maakt grafeen buigbaar en rekbaar.

Transparant : Grafeen absorbeert 2,3 procent van het zichtbare licht dat het raakt , wat betekent dat je er doorheen kunt kijken zonder dat het  zichtbare licht verminderd.

Waar kan grafeen voor worden gebruikt?

Het gebruik van grafeen in het dagelijks leven is niet ver weg, deels als gevolg van bestaand onderzoek naar koolstof nanobuisjes – de opgerolde, cilindrische versie van grafeen. De buizen werden populair door een onderzoeksrapport uit 1991 en aangeprezen voor hun ongelooflijke fysieke kwaliteiten, waarvan de meeste zeer vergelijkbaar zijn met grafeen. Maar het is gemakkelijker om grote vellen grafeen te produceren en kan op dezelfde wijze worden gemaakt als silicium. Veel van de huidige en toekomstige toepassingen waarvoor koolstof nanobuisjes zouden worden gebruikt, worden nu aangepast voor het gebruik van grafeen.

Enkele interessante toepassingen van grafeen in de nabije toekomst zijn :

Zonnecellen: Zonnecellen werken met halfgeleiders om zonlicht op te nemen. Halfgeleiders zijn gemaakt van een element zoals silicium en twee lagen elektronen. In de ene laag aan de kant van de halfgeleider zijn de elektronen rustig en verplaatsen zich niet. In de andere laag kunnen de elektronen zich vrij bewegen, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Zonnecellen werken door de overdracht van de energie uit lichtdeeltjes naar de stabiele elektronen, die enthousiast overspringen naar de vrij stromende laag, om zo nog meer elektriciteit te creëren.

De lagen van elektronen in grafeen overlappen elkaar feitelijk, waardoor er minder licht/energie nodig is om de elektronen te laten overspringen tussen de twee lagen. In de toekomst zou deze eigenschap tot zeer efficiënte zonnecellen moeten leiden. Door grafeen in zonnepanelen te gebruiken kunnen de cellen ook vele honderdduizenden malen dunner en lichter worden dan de cellen die silicium gebruiken.

Transistors : computerchips gebruiken miljarden transistors om de stroom van elektriciteit in hun circuits te besturen. Onderzoek focust zich vooral op het gebruik van meer transistors om de chip krachtiger te maken en grafeen kan zeker helpen om de dunste transistoren ooit te maken.  Maar transistors kunnen ook krachtiger worden door het versnellen van de stroom van elektronen – de deeltjes die deel uitmaken van elektriciteit. Nu de wetenschap de limiet nadert van het alsmaar kleiner maken van de transistors, kan grafeen die limiet ver terug dringen door elektronen sneller te laten bewegen terwijl de transistors verder kunnen worden verkleint tot de grootte van enkele atomen.

buigbaar scherm met grafeen

buigbaar scherm met grafeen

Transparante schermen:  Apparaten zoals plasma-tv’s en telefoons worden vaak bekleed met een materiaal genaamd indium tin oxide. Fabrikanten zijn actief op zoek naar alternatieven die kosten kunnen besparen en betere geleiding, flexibiliteit en transparantie bieden. Grafeen is een uitstekende nieuwe optie. Het is niet reflecterend en erg transparant. De geleidbaarheid kwalificeert grafeen ook als een coating op touchscreen apparaten. Omdat grafeen is zowel sterk is als dun en het kan buigen zonder te breken, is het prima geschikt voor de buigbare elektronica die binnenkort op de markt komt .

Grafeen kan ook worden toegepast in camera sensoren, DNA-sequencing, gas sensoren, materiaal versterking, water ontzilting enzovoort.

Wat zijn de nadelen van grafeen?

De ontwikkelingen rondom het gebruik van grafeen staan nog in de kinderschoenen in vergelijking met de meer ontwikkelde materialen zoals silicium en ITO. Om het op grote schaal te kunnen toepassen, zal het in grote hoeveelheden moeten kunnen worden geproduceerd tegen gelijke – of lagere kosten dan die van de bestaande materialen. In ontwikkeling zijnde roll-to-roll, opdamping en andere productietechnieken lijken dit mogelijk te maken. De industrie is nu echter nog niet zo ver om dit voor elke mobiel scherm te kunnen produceren. Meer onderzoek is nodig om een verdere verbetering van de transparantie en de geleidbaarheid van grafeen te verkrijgen voordat het commercieel kan worden ingezet.

grafeen productie roll-on-roll

roll-on-roll productie grafeen

 

Terwijl grafeen veel mogelijkheden biedt voor transistors, heeft het één groot probleem. Grafeen kan de stroom niet uitschakelen zoals die kan met silicium. Dit betekent dus dat de electriciteit constant blijft stromen. Grafeen kan hierdoor niet als een transistor op zich dienen . Men onderzoekt nu manieren om dit op te lossen door het te combineren met andere materialen om deze beperking te overwinnen. Een techniek omvat het plaatsen van een laag van boornitride, een ander atoom dik materiaal, tussen twee lagen grafeen. De transistor kan worden ingeschakeld en uitgeschakeld, maar de snelheid van de elektronen wordt enigszins vertraagd. Een andere techniek omvat de invoering van onzuiverheden in grafeen.

Grafeen kan ook te laat komen voor veel van zijn mogelijke toepassingen. Elektrische auto batterijen en koolstofvezels konden worden gemaakt met grafee, maar deze producten worden al op basis van respectievelijk actieve koolstof en grafiet, ook twee zeer goedkope materialen. Grafeen zal mogelijk duurder blijven dan andere materialen en daardoor fabrikanten niet overtuigen om over te schakelen.

De wereld is slechts een decennium bezig met het verkennen van wat het kan doen met grafeen. In tegenstelling tot silicium dat al bijna 200 jaar wordt toegepast . In het tempo waren het onderzoek zich nu beweegt zullen we snel weten of grafeen alom vertegenwoordigt zal zijn in vele producten of slechts een stap op zoek naar het volgende wonder materiaal. Investeren in grafeen kan  zeer interessant zijn nu ook op EU niveau grote investeringen worden gedaan via het Graphene Flagship project.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

De volgende HTML tags en attributen zijn toegestaan: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>