Als je de afgelopen tien jaar in de buurt van een wetenschappelijk tijdschrift bent geweest, ben je een of andere overtreffende trap tegengekomen over grafeen - het tweedimensionale wondermateriaal dat belooft alles te transformeren, van computergebruik tot biogeneeskunde.
Er is veel hype over de toepassingen van grafeen, dankzij een handvol opmerkelijke eigenschappen. Het is 1 miljoen keer dunner dan een mensenhaar, maar 200 keer sterker dan staal. Het is flexibel, maar kan als een perfecte barrière fungeren en is een uitstekende geleider van elektriciteit. Voeg dat allemaal samen en je hebt een materiaal met een veelvoud aan potentieel revolutionaire toepassingen.
Wat is grafeen?
Grafeen is koolstof, maar in een honingraatrooster van één atoom dik. Als je teruggrijpt naar je oude scheikundelessen, zul je je herinneren dat materialen die volledig uit koolstof bestaan, drastisch verschillende eigenschappen kunnen hebben, afhankelijk van hoe de atomen zijn gerangschikt (verschillende allotropen). Het grafiet in je potloodstift is bijvoorbeeld zacht en donker in vergelijking met de harde en transparante diamant in je verlovingsring. Door mensen gemaakte koolstofstructuren zijn niet anders; het bolvormige Buckminsterfullereen werkt anders dan de opgerolde opstellingen van koolstofnanobuisjes.
Grafeen is gemaakt van een vel koolstofatomen in een hexagonaal rooster. Van het bovenstaande komt het qua vorm het dichtst bij grafiet, maar terwijl dat materiaal is gemaakt van tweedimensionale lagen koolstof die laag op laag worden vastgehouden door zwakke intermoleculaire bindingen, is grafeen slechts één laag dik. Als je een enkele, één atoomhoge laag koolstof van grafiet zou kunnen pellen, zou je grafeen hebben.
Door de zwakke intermoleculaire bindingen in grafiet lijkt het zacht en schilferig, maar de koolstofbindingen zelf zijn robuust. Dit betekent dat een plaat die uitsluitend is samengesteld uit die koolstofbindingen sterk is - ongeveer 200 keer meer dan het sterkste staal, en tegelijkertijd flexibel en transparant is.
Over grafeen wordt al heel lang getheoretiseerd en het wordt per ongeluk in kleine hoeveelheden geproduceerd zolang mensen grafietpotloden gebruiken. De belangrijkste isolatie en ontdekking is echter gebaseerd op het werk van Andre Geim en Konstantin Novoselov, in 2014 aan de Universiteit van Manchester. De twee wetenschappers hielden naar verluidt 'vrijdagnacht-experimenten', waar ze ideeën zouden testen buiten hun dagelijkse baan om. Tijdens een van deze sessies verwijderden de onderzoekers met plakband dunne laagjes koolstof van een klomp grafiet. Dit baanbrekende onderzoek leidde uiteindelijk tot de commerciële productie van grafeen.
Nadat ze in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde hadden gewonnen, schonken Geim en Novoselov de tapedispenser aan het Nobelmuseum.
Waar kan grafeen voor worden gebruikt?
Belangrijk om op te merken is dat wetenschappers allerlei materialen ontwikkelen op basis van grafeen. Dit betekent dat het waarschijnlijk beter is om over 'grafenen' te denken, op dezelfde manier als we zouden denken over kunststoffen. In wezen heeft de komst van grafeen de mogelijkheid om te leiden tot een geheel nieuwe categorie materiaal, niet slechts één nieuw materiaal.
Zie gerelateerd Wat is turbulentie? Een van de natuurkundige vragen van een miljoen dollar ontrafelen De diamantregen die op Uranus is gevonden, is nagemaakt op aarde en zou kunnen helpen bij het oplossen van onze groeiende energiecrisis Quantum computing wordt volwassenOp het gebied van toepassingen wordt onderzoek gedaan op uiteenlopende gebieden van biogeneeskunde en elektronica tot gewasbescherming en voedselverpakkingen. Door bijvoorbeeld de oppervlakte-eigenschap van grafeen te kunnen wijzigen, zou het een uitstekend materiaal kunnen worden voor medicijnafgifte, terwijl de geleidbaarheid en flexibiliteit van het materiaal een nieuwe generatie touchscreen-circuits of opvouwbare draagbare apparaten zouden kunnen inluiden.
Het feit dat grafeen een perfecte barrière kan vormen voor vloeistoffen en gassen, betekent dat het ook met andere materialen kan worden gebruikt om een willekeurig aantal verbindingen en elementen te filteren - inclusief helium, dat een buitengewoon moeilijk te blokkeren gas is. Dit heeft een scala aan toepassingen als het gaat om de industrie, maar kan ook zeer nuttig zijn voor milieubehoeften rond waterfiltratie.
De multifunctionele eigenschappen van grafeen openen de deuren naar een enorme hoeveelheid composiettoepassingen. Hoewel er veel is nagedacht over hoe het reeds bestaande technologieën kan stimuleren, zullen voortdurende verbeteringen in het veld uiteindelijk leiden tot geheel nieuwe gebieden die voorheen onmogelijk waren. Kunnen we een geheel nieuwe klasse van lucht- en ruimtevaarttechniek zien ontstaan? Hoe zit het met augmented reality optische implantaten? Zoals het er uitziet, zullen we erachter komen in de 21e eeuw.