Wat is grafeen? Dit is wat u moet weten

Verder lezen

• Negen geweldige toepassingen voor grafeen, van het filteren van water tot slimme verf
• Wat is de hyperloop? Hier is alles wat u moet weten

Tegenwoordig heeft een nieuw materiaal het potentieel om de toekomst te veranderen. Grafeen, ook wel een ‘supermateriaal’ genoemd, zorgt ervoor dat onderzoekers over de hele wereld zich inspannen om het beter te begrijpen. Door de lange lijst met wonderbaarlijke eigenschappen van grafeen lijkt het bijna magisch, maar het kan zeer reële en drastische gevolgen hebben voor de toekomst van de natuurkunde en techniek.

Wat is grafeen precies?

De eenvoudigste manier om grafeen te beschrijven is dat het een enkele, dunne laag grafiet is: het zachte, schilferige materiaal dat in potloodstiften wordt gebruikt. Grafiet is een allotroop van het element koolstof, wat betekent dat het dezelfde atomen bezit, maar dat ze op een andere manier zijn gerangschikt, waardoor het materiaal andere eigenschappen krijgt. Zowel diamant als grafiet zijn bijvoorbeeld vormen van koolstof, maar toch hebben ze een totaal verschillende aard. Diamanten zijn ongelooflijk sterk, terwijl grafiet bros is. De atomen van grafeen zijn gerangschikt in een zeshoekige opstelling.

Interessant is dat wanneer grafeen wordt geïsoleerd uit grafiet, het enkele wonderbaarlijke eigenschappen krijgt. Het is slechts één atoom dik en het eerste tweedimensionale materiaal dat ooit is ontdekt. Desondanks is grafeen ook een van de sterkste materialen in het bekende universum. Met een treksterkte van 130 GPa (gigapascal) is het ruim 100 keer sterker dan staal.

De ongelooflijke kracht van grafeen, ondanks dat het zo dun is, is al genoeg om het verbazingwekkend te maken, maar daar houden de unieke eigenschappen niet op. Het is ook flexibel, transparant, zeer geleidend en schijnbaar ondoordringbaar voor de meeste gassen en vloeistoffen. Het lijkt bijna alsof er geen gebied is waarin grafeen niet uitblinkt.

De geschiedenis van grafeen: een rol tape en een droom

Grafiet is al heel lang een bekende hoeveelheid (mensen gebruiken het al sinds het Neolithicum). De atomaire structuur ervan is goed gedocumenteerd en wetenschappers hebben zich lange tijd afgevraagd of afzonderlijke lagen grafiet konden worden geïsoleerd. Tot voor kort was grafeen echter slechts een theorie, omdat wetenschappers niet zeker wisten of het ooit mogelijk zou zijn om grafiet op te delen tot één enkel, atomair dun vel. Het eerste geïsoleerde monster grafeen werd in 2004 ontdekt door Andre Geim en Konstantin Novoselov aan de Universiteit van Manchester. Je zou verwachten dat ze de legendarische substantie isoleerden met behulp van een enorm, duur apparaat, maar het hulpmiddel dat ze gebruikten was amusant eenvoudig: een rol plakband.

Toen ze tape gebruikten om een ​​groot blok grafiet te polijsten, merkten de onderzoekers uitzonderlijk dunne schilfers op de tape. Terwijl ze laag en laag van de grafietvlokken bleven afpellen, produceerden ze uiteindelijk een zo dun mogelijk monster. Ze hadden grafeen gevonden. De ontdekking was zo bizar dat de wetenschappelijke wereld aanvankelijk sceptisch was. Het populaire tijdschrift Natuur hebben hun paper over het experiment zelfs twee keer afgewezen. Uiteindelijk werd hun onderzoek gepubliceerd en in 2010 ontvingen Geim en Novoselov voor hun ontdekking de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Potentiële toepassingen

Als grafeen slechts één van zijn vele overtreffende trapeigenschappen zou hebben, zou het het onderwerp zijn van intensief onderzoek naar mogelijke toepassingen. Omdat grafeen in zoveel opzichten zo opmerkelijk is, heeft het wetenschappers geïnspireerd om een ​​breed scala aan toepassingen voor het materiaal te bedenken, op uiteenlopende gebieden als consumententechnologie en milieuwetenschappen.

Flexibele elektronica

Naast zijn krachtige elektrische eigenschappen is grafeen ook zeer flexibel en transparant. Dit maakt het aantrekkelijk voor gebruik in draagbare elektronica. Smartphones en tablets zouden met grafeen veel duurzamer kunnen worden en misschien zelfs als papier kunnen worden opgevouwen. Draagbare elektronische apparaten zijn de laatste tijd steeds populairder geworden. Met grafeen zouden deze apparaten nog nuttiger kunnen worden gemaakt, ontworpen om nauwsluitend rond de ledematen te passen en te buigen om verschillende vormen van oefening mogelijk te maken.

De flexibiliteit en microscopische breedte van grafeen bieden echter mogelijkheden die verder gaan dan alleen consumentenapparaten. Het zou ook nuttig kunnen zijn in biomedisch onderzoek. Er zouden kleine machines en sensoren gemaakt kunnen worden met grafeen, die gemakkelijk en onschadelijk door het menselijk lichaam kunnen bewegen, weefsel kunnen analyseren of zelfs medicijnen naar specifieke gebieden kunnen afleveren. Koolstof is al een cruciaal ingrediënt in het menselijk lichaam; een beetje grafeen toegevoegd kan geen kwaad.

Zonnecellen/fotovoltaïsche zonne-energie

Grafeen is zowel zeer geleidend als transparant. Als zodanig heeft het een groot potentieel als materiaal in zonnecellen. Normaal gesproken gebruiken zonnecellen silicium, dat een lading produceert wanneer een foton de materialen raakt, waardoor een vrij elektron loskomt. Silicium laat slechts één elektron vrij per foton dat erop valt. Onderzoek heeft uitgewezen dat grafeen meerdere elektronen kan vrijgeven voor elk foton dat erop valt. Als zodanig zou grafeen veel beter kunnen zijn in het omzetten van zonne-energie. Binnenkort zouden goedkopere, krachtigere grafeencellen een enorme toename van hernieuwbare energie kunnen produceren.

De fotovoltaïsche eigenschappen van grafeen betekenen ook dat het kan worden gebruikt om betere beeldsensoren te ontwikkelen voor apparaten zoals camera’s.

Halfgeleiders

Vanwege de hoge geleidbaarheid zou grafeen in halfgeleiders kunnen worden gebruikt om de snelheid waarmee informatie zich verplaatst aanzienlijk te verhogen. Onlangs heeft het Department of Energy tests uitgevoerd die aantoonden dat halfgeleidende polymeren elektriciteit veel sneller geleiden wanneer ze op een laag grafeen worden geplaatst dan op een laag silicium. Dit geldt zelfs als het polymeer dikker is. Een polymeer van 50 nanometer dik, geplaatst op een grafeenlaag, geleidde een lading beter dan een laag van 10 nanometer van het polymeer. Dit druiste in tegen eerdere inzichten die stelden dat hoe dunner een polymeer is, hoe beter het lading kan geleiden.

Het grootste obstakel voor het gebruik van grafeen in de elektronica is het ontbreken van een bandgap, de kloof tussen valentie- en geleidingsbanden in een materiaal dat, wanneer het wordt gekruist, een elektrische stroom mogelijk maakt. De bandafstand zorgt ervoor dat halfgeleidende materialen zoals silicium als transistoren kunnen functioneren; ze kunnen schakelen tussen het isoleren of geleiden van een elektrische stroom, afhankelijk van of hun elektronen over de bandafstand worden geduwd of niet.

Onderzoekers hebben verschillende methoden getest om grafeen een bandgap te geven; als dit lukt, zou dat kunnen leiden tot veel snellere elektronica gebouwd met grafeen.

Water filtratie

De nauwe atomaire bindingen van grafeen maken het ondoordringbaar voor bijna alle gassen en vloeistoffen. Vreemd genoeg vormen watermoleculen een uitzondering. Omdat water door grafeen kan verdampen terwijl de meeste andere gassen en vloeistoffen dat niet kunnen, zou grafeen een uitzonderlijk hulpmiddel voor filtratie kunnen zijn. Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben de permeabiliteit van grafeen met alcohol getest en zijn daarin geslaagd distilleer zeer sterke monsters van sterke drank, omdat alleen het water in de monsters er doorheen kon grafeen.

Natuurlijk heeft het gebruik van grafeen als filter potentie die verder gaat dan het distilleren van sterkere sterke dranken. Grafeen kan ook enorm nuttig zijn bij het zuiveren van water van gifstoffen. In een studie gepubliceerd door The Royal Society of Chemistry toonden onderzoekers aan dat geoxideerd grafeen dat zelfs zou kunnen doen trekken radioactieve materialen zoals uranium en plutonium uit het water naar binnen, waardoor de vloeistof vrij blijft verontreinigende stoffen. De implicaties van dit onderzoek zijn enorm. Enkele van de grootste milieugevaren in de geschiedenis, waaronder kernafval en chemische afvoer, zouden dankzij grafeen uit waterbronnen kunnen worden gezuiverd.

Omdat overbevolking een van de meest dringende milieuproblemen ter wereld blijft, zal het behoud van schone watervoorzieningen alleen maar belangrijker worden. Meer dan een miljard mensen wereldwijd worden getroffen door waterschaarste, een aantal dat gezien de huidige trends alleen maar zal blijven stijgen. Grafeenfilters hebben een enorm potentieel om de waterzuivering te verbeteren, waardoor de beschikbare hoeveelheid zoet water toeneemt. Lockheed Martin heeft onlangs een grafeenfilter ontwikkeld met de naam ‘Perforene’, waarvan het bedrijf beweert dat het een revolutie teweeg zou kunnen brengen in het ontziltingsproces.

De huidige ontziltingsinstallaties gebruiken een methode die omgekeerde osmose wordt genoemd om zout uit zeewater te filteren. Omgekeerde osmose gebruikt druk om water door een membraan te bewegen. Om grote hoeveelheden drinkbaar water te produceren, vergt de druk enorme hoeveelheden energie. A Lockheed Martin-ingenieur beweert hun Perforene-filters konden de energiebehoefte honderd keer minder verminderen dan die van andere filters.

MIT creëerde grafeen met ‘nanoporiën’

Filtratie is een van de meest voor de hand liggende toepassingen van grafeen, en MIT-ingenieurs hebben grote vooruitgang geboekt bij het perfectioneren van het vermogen van grafeen om moleculen te scheiden. In 2018, een team van MIT heeft een methode bedacht om kleine speldenprikjesgaatjes in lagen grafeen te maken. De onderzoekers van MIT gebruiken een ‘roll-to-roll’-aanpak om grafeen te produceren. Hun opstelling omvat twee spoelen: één spoel voert een kopervel in een oven waar het wordt verwarmd tot aan de hitte. juiste temperatuur, dan voegen de ingenieurs methaan en waterstofgas toe, wat in wezen plassen grafeen veroorzaakt vormen. De grafeenfilm verlaat de oven en wikkelt zich op de tweede spoel.

In theorie maakt dit proces het mogelijk om in relatief korte tijd grote lagen grafeen te vormen, wat cruciaal is voor commerciële toepassingen. Onderzoekers moesten het proces verfijnen om het grafeen perfect te laten vormen, en interessant genoeg bleken de onvolmaakte pogingen onderweg later nuttig te zijn. Toen het MIT-team poriën in grafeen probeerde te creëren, begonnen ze met het gebruik van zuurstofplasma om deze uit te snijden. Omdat dit proces tijdrovend bleek, wilden ze iets snellers en keken ze naar hun eerdere experimenten voor oplossingen. Door de temperatuur te verlagen tijdens de groei van grafeen, ontstonden er poriën. Wat tijdens het ontwikkelingsproces als defecten leek, bleek uiteindelijk een nuttige manier om poreus grafeen te maken.

Supergeleiding

Niet lang daarna Dat hebben wetenschappers in Cambridge aangetoond dat grafeen kan fungeren als een supergeleider (een materiaal zonder elektrische weerstand) in combinatie met praseodymium cerium koperoxide, onderzoekers van MIT ontdekt nog een verbazingwekkende eigenschap: het kan blijkbaar alleen als supergeleider functioneren, in de juiste configuratie. De onderzoekers stapelden twee plakjes grafeen op elkaar, maar verschoven ze onder een hoek van 1,1 graden. Volgens een rapport gepubliceerd in Nature zegt “Natuurkundige Pablo Jarillo-Herrero van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge en zijn team waren niet op zoek naar supergeleiding toen ze hun bedrijf oprichtten experiment. In plaats daarvan onderzochten ze hoe de oriëntatie die de magische hoek wordt genoemd, grafeen zou kunnen beïnvloeden.”

Wat ze ontdekten is dat, toen ze elektriciteit door de afwijkende grafeenstapel lieten stromen, deze als een supergeleider functioneerde. Dit eenvoudige proces van het toepassen van elektriciteit maakt grafeen gemakkelijker te bestuderen dan een vergelijkbare klasse supergeleiders, cuprates, hoewel deze materialen een veel hogere supergeleiding vertonen temperaturen. De meeste materialen die supergeleiding vertonen, doen dit alleen bij een temperatuur van het absolute nulpunt. Sommige zogenaamde “hoge-temperatuur-supergeleiders” kunnen supergeleiding vertonen bij temperaturen rond de 133 Kelvin (-140 Celsius), wat relatief hoog is; waterstofsulfide vertoont, onder voldoende druk, de eigenschap op een wonderbaarlijke -70 graden Celsius!

De grafeenopstelling moest worden afgekoeld tot 1,7 graden boven het absolute nulpunt, maar de onderzoekers beschouwen het gedrag ervan vergelijkbaar met dat van cuprates, en Daarom hopen ze dat het een veel gemakkelijker materiaal zal zijn voor het bestuderen van onconventionele supergeleiding, waarover nog steeds grote meningsverschillen bestaan ​​tussen de wetenschappers. natuurkundigen. Omdat supergeleiding doorgaans alleen plaatsvindt bij zulke lage temperaturen, worden supergeleiders alleen gebruikt in dure machines zoals MRI-machines. wetenschappers hopen op een dag een supergeleider te vinden die bij kamertemperatuur werkt, wat de kosten zou verlagen door de noodzaak van koeling weg te nemen eenheden.

In een studie gepubliceerd in 2019toonden onderzoekers aan hoe het draaien van grafeenlagen onder specifieke ‘magische’ hoeken supergeleidende eigenschappen kan produceren bij lagere temperaturen dan voorheen.

Bescherming tegen muggen

Weinig wezens zijn zo walgelijk als de mug, met hun jeukende beten en de neiging om vreselijke ziekten zoals malaria te verspreiden. Gelukkig hebben onderzoekers van Brown University een mogelijke oplossing gevonden met behulp van grafeen. Het onderzoek, gepubliceerd in 2019, toont aan dat een grafeenfilm op de huid niet alleen muggen verhinderde om te bijten, maar hen er zelfs van weerhield om op de huid te landen. Een mogelijke verklaring is dat het grafeen ervoor zorgde dat de muggen hun prooi niet konden ruiken.

De toekomst van grafeenonderzoek

Gezien de schijnbaar eindeloze lijst met sterke punten van grafeen zou je verwachten dat je het overal tegenkomt. Waarom is grafeen dan niet algemeen aanvaard? Zoals met de meeste dingen, komt het ook hier neer op geld. Grafeen is nog steeds extreem duur om in grote hoeveelheden te produceren, waardoor het gebruik ervan in elk product waarvoor massaproductie nodig is, wordt beperkt. Bovendien bestaat er bij de productie van grote vellen grafeen een verhoogd risico op het ontstaan ​​van kleine barstjes en andere gebreken in het materiaal. Hoe ongelooflijk een wetenschappelijke ontdekking ook mag zijn, de economie zal altijd beslissen over het succes.

Afgezien van de productieproblemen vertraagt ​​het onderzoek naar grafeen geenszins. Onderzoekslaboratoria over de hele wereld – waaronder de Universiteit van Manchester, waar grafeen voor het eerst werd ontdekt – dienen voortdurend patenten in voor nieuwe methoden voor het maken en gebruiken van grafeen. De Europese Unie heeft in 2013 financiering goedgekeurd voor een vlaggenschipprogramma, een programma dat grafeenonderzoek voor gebruik in de elektronica zal financieren. Ondertussen doen grote technologiebedrijven in Azië onderzoek naar grafeen, waaronder Samsung.

Revoluties gebeuren niet van de ene op de andere dag. Silicium werd halverwege de 19e eeuw ontdekt, maar het duurde bijna een eeuw voordat siliciumhalfgeleiders de weg vrijmaakten voor de opkomst van computers. Zou grafeen, met zijn bijna mythische eigenschappen, de grondstof kunnen zijn die het volgende tijdperk van de menselijke geschiedenis aandrijft? De tijd zal het leren.

Aanbevelingen van de redactie

• De beste lichttherapielampen
• Hoe lang moeten uw apparaten meegaan?
• De beste zonneladers voor je telefoon of tablet
• 17 zwarte uitvinders die de technische wereld hebben veranderd
• De beste gezondheids- en fitnessgadgets