Big Mac van kippengaas

In december ging de Nobelprijs voor natuurkunde naar de ontdekkers van grafeen, een bijzondere vorm van koolstof. RUG-onderzoekers timmeren aan de weg met hun onderzoek naar de eigenschappen van dit materiaal.

Grafeen is een nieuw hightech materiaal met een nogal lowtech begin. In het nanolab van het Zernike Institute for Advanced Materials is plakband een onmisbaar hulpmiddel. Grafeen is een vorm van koolstof, net als grafiet of diamant. Het bijzondere van grafeen is dat het dun is. Erg dun. Eén atoom dun, om precies te zijn. Nu is het meestal niet zo eenvoudig om een materiaal van slechts één atoom dik te maken, daar heb je ingewikkelde apparatuur voor nodig. Behalve dan bij grafeen.

Het recept is eenvoudig. Je neemt een blokje grafiet, het spul waarvan je potloden kunt maken. Plak een stukje plakband op het grafiet en trek het los. Een dun laagje blijft hangen aan het plakband. Druk het plakband vervolgens op een ondergrond, de ‘drager’, en trek het weer los. Nu gebeurt er iets bijzonders. Grafiet bestaat uit laagjes koolstof. De atomen in zo’n laagje zitten stevig aan elkaar. Maar de verbinding tussen de laagjes is minder sterk. De onderste laag plakt sterker aan de drager dan aan de volgende laag koolstof. Dus bij het lostrekken blijft een laagje van precies één atoom dik op de drager achter.

“Dat is het mooie van grafeen”, vertelt RUG-hoogleraar technische natuurkunde Bart van Wees. “Het is een tweedimensionale structuur. Daar kan je leuke dingen mee doen. 3D is veel ingewikkelder, 1D is te simpel. 2D is precies goed.” Grafeen is het best te vergelijken met kippengaas. Koolstofatomen vormen zeshoekjes die onderling verbonden zijn. Die verbinding ontstaat (simpel gezegd) door elektronen die de atomen delen. En het gedrag van elektronen in nieuwe materialen is een belangrijk onderdeel van de onderzoekslijnen in de groep van Van Wees, die deel uitmaakt van het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG.

Daarbij komt trouwens meer kijken dan alleen plakband. Een laagje grafeen op zich, daar kan je niets mee. Om de eigenschappen te bestuderen moet je het verwerken in een meetopstelling, er moeten elektroden aan vast gemaakt worden enzovoorts. “Grafeen heeft voordelen, je kunt het uitsnijden, bewerken. Eerder deden we dit soort onderzoek met koolstof nanobuisjes, zeg maar opgerold kippengaas. Maar met die buisjes is het veel lastiger werken”, vertelt Van Wees. Om metingen te doen moest je buisjes bij elkaar brengen, achter elkaar leggen of tussen twee elektrodes plaatsen. Kippengaas op een drager is veel hanteerbaarder dan rolletjes gaas.

“Maar”, zegt Van Wees, “de drager heeft invloed op de manier waarop elektronen in het grafeen zich gedragen.” De elektronen ‘voelen’ wat er boven en onder hen gebeurt. Ook vervuilingen op het grafeen verstoren de metingen. “We wilden dus zo schoon mogelijk grafeen.” Hier kwam promovendus en tegenwoordig postdoc Niko Tombros om de hoek kijken. Tombros bedacht een manier om stukjes dragermateriaal onder het grafeen weg te halen, zodat het vrij in de lucht kwam te hangen.

“Om verdere onzuiverheden kwijt te raken gingen we het grafeen verwarmen. En dat leverde een verrassing op”, vertelt Van Wees. De stukjes vrij hangend grafeen werden smaller door verwarming. “Waarom precies weten we niet, misschien verdwijnt er gra­feen aan de randen of krult het om.” Op vijf juni verscheen op de site van het toonaangevende blad Nature Physics een artikel over het bijzondere gedrag van elektronen in deze zeer smalle stukjes grafeen (zie ook ‘Nobelprijswinaar Geim afgetroefd’ in UK35).

Van Wees is zichtbaar tevreden over dit artikel. “We zijn in 2007 gaan werken met grafeen. Dat leverde al snel een artikel in Nature op, waarin Niko Tombros ook een belangrijk aandeel had.” Die Nature-publicatie opende allerlei deuren voor de groep van Van Wees. “We konden bijvoorbeeld meedoen in onderzoeksprogramma’s voor gra-feen, omdat we hadden laten zien wat we waard waren.”
Een van zijn huidige promovendi, Alina Veligura, presenteerde het nieuwste werk zelfs bij Nobelprijswinnaars Andre Geim en Konstantin Novoselov in Manchester.
“Die was ook met dit soort experimenten bezig.”

Een volgende stap in het onderzoek is het maken van grafeen-materialen. “Bijvoorbeeld met afwisselende laagjes grafeen en een isolator. Zoals een Big Mac: een laagje brood, hamburger, brood, weer hamburger en weer brood.” Zonder saus of augurk, want vervuilingen verstoren immers het gedrag van elektronen in de laagjes. Wat dat materiaal kan? “Dat moeten we juist uitzoeken. Het is helemaal nieuw.”

Er zijn al wel wat ideeën over wat je met grafeen kunt maken. Een gevoelige sensor bijvoorbeeld: vervuilingen op het grafeen beïnvloeden het gedrag van de elektronen, dus als iets zich aan grafeen bindt, kan je dat meten. Mogelijk kan grafeen ook supergeleidend worden. En je zou het kunnen gebruiken in LED lampjes: “In een LED ligt een elektrode bovenop het lampje. Die moet dus erg dun zijn en dat is grafeen.”

De groep van Van Wees telt zo’n tien mensen. Zij kunnen zich meten met de besten van de wereld. “En het is opwindend onderzoek. Volgende week ga ik naar een conferentie over grafeen in Singapore. De openingslezing is van Albert Fert, die in 2007 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg. Hij is inmiddels 72, maar heeft zich ook op het gra­feenonderzoek geworpen.

‘Ik was wel zenuwachtig’

Als promovendus op de koffie bij Nobelprijswinaars. Het overkwam Alina Veligura, uit de groep van Bart van Wees. Zij werkte mee aan het onderzoek dat leidde tot het recente Nature Physics artikel en presenteerde dat op een congres waar ook Nobelprijswinaar Andre Geim aanwezig was. “Hij nodigde mij vervolgens uit een lezing te geven voor zijn groep in Manchester, in april.” Geim heeft een reputatie: hij kan snoeiharde kritiek leveren. “Dus ik was wel zenuwachtig. Maar hij was vol lof over het werk.”

Veligura zit in het laatste jaar van haar promotie. Daarvoor deed ze de topmasteropleiding nanoscience in Groningen en haalde een Toptalent beurs van onderzoekfinancier NWO binnen, waarmee ze een promotieplaats zekerstelde. Ze koos bewust voor grafeenonderzoek, hoewel de concurrentie er moordend is. “De druk is groot. Als je vandaag je resultaat niet haalt, kan iemand anders je morgen inhalen. En op conferenties is vaak iemand die iets vergelijkbaars heeft gedaan.

” Iedere dag verschijnen er nieuwe artikelen: “Ik kijk daar niet iedere ochtend naar, maar wel iedere week.” Ze kan blijkbaar goed tegen de druk: twee gerenommeerde instituten hebben haar al een baan aangeboden, als ze klaar is met de promotie.

Bron: www.uk.rug.nl door Réne Fransen.