Grafeen, het materiaal van de toekomst

De maatschappij zoals we die kennen is gebouwd door gebruik te maken van materialen zoals beton, staal, hout, plastic, enzovoorts. Er zijn vele materiaalsoorten welke meerdere sterkte variaties en geleidingsmogelijkheden hebben. In 2010 hebben A. Geim en K. Novoselov de Nobelprijs voor de natuurkunde gekregen voor het vooruitstrevende werk het materiaal grafeen te ontdekken. Daarmee is een nieuwe stof aan de lange lijst van elementaire materialen toegevoegd met als basis materiaal koolstofverbindingen. Het speciale aan het materiaal is dat het slechts een dikte van een atoom heeft. Wat is dit voor materiaal en wat voor toekomstige applicaties worden erbij verwacht?

Grafeen

• Grafiet versus grafeen
• Dikte van een atoom
• Fysieke eigenschappen van het materiaal
• Een schoon vel verstoord
• Toekomstige ontwikkelingen
• Nano-technologie voor geneeskunde

Grafiet versus grafeen

Beide materialen zijn strikt genomen exact hetzelfde, echter de opbouw van grafiet is ongestructureerd en random. Dat houdt in dat grafiet het zachtste elementaire materiaal beschikbaar is. Dat is compleet anders bij grafeen. Grafiet is opgebouwd uit flinterdunne laagjes grafeen, welke door chaos opbouw geen hoge sterkte kunnen bieden. Het materiaal heeft echter excellente geleidingsmogelijkheden. Grafeen daarentegen is in zijn eenvoud uitermate sterk. De enkele laag koolstof elementen hebben een honingraat structuur in het platte vlak, waarmee een van nature zeer sterke vorm is verkregen. Omdat het aantal verbindingen per vierkante millimeter dermate groot is in het horizontale vlak heeft het hoge sterkte en stijfheidseigenschappen.

Dikte van een atoom

De honingraat is een platte schijf met een dikte van een molecuul. Er zijn namelijk in de hoogte geen aanvullende lagen, waardoor het een super dunne laag is. In de ene richting kan een super sterkte worden bereikt en in de andere richting super flexibiliteit door de zeer geringe dikte. Deze capaciteiten bieden ongekende mogelijkheden binnen ieder vakgebied. Al is het van constructies, communicatie technologie, ruimtevaart tot vernieuwende geneeskunde.

Fysieke eigenschappen van het materiaal

Het is ontzettend sterk en dun. Het zorgt ervoor dat het zeer flexibel is echter slechts met veel moeite breekt. Daarnaast heeft grafiet standaard al de eigenschap van supergeleiding. Dit biedt zeer goede eigenschappen voor het realiseren van verbeterde communicatiemiddelen, waartoe praktisch geen materiaal benodigd is. Bekend voorbeeld is uiteraard een oprolbare televisie of laptop, waarbij alle eigenschappen in de rol zijn verwerkt. Maar wat zouden we verder met dit materiaal kunnen doen?

Een schoon vel verstoord

Omdat de structuur dermate fijn is kunnen ongeregeldheden veroorzaakt door andere moleculen worden gedetecteerd. Normaal kun je het met een licht beschijnen, waarbij een deel reflecteert en een ander deel wordt opgenomen door de oppervlaktegolf van het materiaal. Omdat altijd dezelfde frequentie standaard wordt opgenomen zal bij een wijziging daarvan een abnormaliteit aanwezig zijn in de vorm van verstoorde atomen. Het houdt in dat bij onjuiste reflectie of resonering signalen worden waargenomen. Het kan daarmee een hulpmiddel vormen om de kleinste atomen te detecteren, zoals bijvoorbeeld bij doping, drugs, vroege signalering van ziektes, enzovoorts. Omdat het materiaal zeer sterk is en piepkleine detecties kan doen kan een detecteringssysteem eveneens in minimaal formaat worden uitgevoerd.

Toekomstige ontwikkelingen

Meerdere lagen van dit materiaal concreet op elkaar gepakt kunnen ervoor zorgen dat mogelijk de flexibiliteit afneemt, echter een super constructiemateriaal wordt verkregen. Bij de toepassing van eenzelfde hoeveelheid materiaal als staal is grafeen tot op twee honderd keer zo sterk. Het betekent dat met relatief een beperkte hoeveelheid materiaal toch super sterke dingen kunnen worden gemaakt. Denk aan het maken van vliegtuigen, waardoor het ontzettend licht wordt. Vervoer door de lucht zal veel minder brandstof kosten. Daarnaast geeft het uitstekende mogelijkheden om binnen de ruimtevaart toe te passen. Des te sterker en lichter een voertuig is des te gemakkelijker kan het voortbewegen, manoeuvreren en vaart maken.

Nano-technologie voor geneeskunde

De kleinste robotjes vallen onder de noemer nano-technologie. De beperkende factor voor het formaat is altijd nog het toe te passen materiaal. Door deze nieuwe ontdekking kunnen vermoedelijk de kleinste machines ter wereld worden gemaakt, waarmee geneeskunde vanuit het eigen lichaam kan worden toegepast. Met een injectie nano-technologie kan een ziekte in het lichaam te lijf worden gegaan. Nu het ter beschikking is gekomen kan de medische nano-technologie echt beginnen aan de volgende ontwikkelingsstap.

Lees verder

• De elasticiteitsmodulus van staal
• Elasticiteit van hout: E-modulus hout voor de doorbuiging