De ongekende belofte van grafeen
[Recensie] Grafeen is per gewichtseenheid minstens 100 keer sterker dan staal en kan elektriciteit 100 keer beter geleiden dan koper. Het ultradunne materiaal is daarom uitstekend te gebruiken voor flexibele zonnepanelen, informatieopslagsystemen, snel oplaadbare accu’s en bijvoorbeeld flexibele elektronica in kleding.
In 2000 won de Nederlands-Britse natuurkundige Andre Geim van Russische afkomst de alternatieve Ig Nobel prijs met zijn experiment, waarbij hij een levende kikker liet zweven in een supermagneet. Zelf verklaarde hij dat dit mogelijk was door de zwakke magnetische eigenschappen van water uit te vergroten. Met deze bekende anekdote begint het vlot geschreven boek van de Engelse wetenschapsjournalist Brian Clegg, die vervolgens meldt dat dezelfde Geim samen met de Russisch-Britse natuurkundige Kostya Novoselov tien jaar later de ‘echte’ Nobel prijs won met hun onderzoek naar grafeen, het flinterdunne materiaal van een enkele laag koolstofatomen.
Geim, die als supervisor Novoselov begeleidde tijdens zijn promotieonderzoek aan de Radboud universiteit in Nijmegen, stond bekend om zijn avontuurlijke benadering van wetenschappelijk onderzoek. Wetenschappelijk onderzoek vergelijkt hij het liefst met het bouwen van constructies met lego-speelgoed: “Hoe meer blokjes je hebt, hoe complexer de structuren die je kan maken.”
Zo is ook de ontdekking van grafeen min of meer op avontuurlijke wijze tot stand gekomen. Geim, die later als onderzoeker verbonden was aan de universiteit van Manchester, gaf eens aan een student de opdracht om een zo dun mogelijk velletje grafiet te maken. De onderzoekers verwachtten, dat door de geringe dikte het grafiet andere eigenschappen zou hebben dan dat van het moedermateriaal. Er volgde een boeiende zoektocht, wat in eerste instantie niets opleverde, totdat in de nachtelijke uren Geim bij toeval de oplossing in de prullenbakken van zijn collega’s vond: grote hoeveelheden plakband met dunne lagen grafiet de dikte van een atoom waren. De rest is geschiedenis. “We vonden grafeen niet uit, we ontdekten alleen wat al vijfhonderd jaar onder onze neuzen lag,” becommentarieerde Geim achteraf.
De vraag was hoe dit ultradunne materiaal (0,3 nm, ofwel 300.000 keer zo dun als een velletje papier) in praktische zin te gebruiken zou zijn. Een probleem is dat grafeen zo sterk buigzaam is dat er altijd een substraat aan te pas moet komen om het materiaal te ondersteunen. In eerste instantie gebruikten Geim en Novoselov hiervoor geoxideerde silicium wafers. Later bleek dat de siliciumlaag de prestaties van het grafeen nadelig beïnvloedde, een ondersteunende structuur van boriumnitride bleek beter te werken.
Een minpunt van het boek zijn de diverse uitstapjes naar het verleden, om bepaalde natuurkundige ontwikkelingen te beschrijven, iets wat de leesbaarheid niet ten goede komt. En het boek had op bepaalde punten bovendien wel actueler kunnen zijn. Zo noemt Clegg aan het eind een aantal mogelijke toepassingen van grafeen, waar nog veel onderzoek voor nodig zal zijn. Dat er al sinds 2015 een zuinige en duurzame grafeenlamp op de markt verkrijgbaar is, geproduceerd door een spin-off bedrijf van de universiteit van Manchester, is kennelijk aan hem voorbij gegaan.
—
Eerder verschenen in TW
