Grafeen (graphene) | Wat is Grafeen? - Grafeen (graphene)


Wat is 3D printen?

Your Adv Here


Introductie grafeen

Graphene

Grafeen – materiaal van de toekomst

Kort: Grafeen is een molecule, een kristal, een enkele laag van atomen bestaande uit het element koolstof gerangschikt in een repetitief hexagonaal patroon.

Andre Geim en Konstantin Novoselov waren de eerste wetenschappers in staat om een enkele laag grafeen te isoleren in 2003 – het onderzoeksartikel verscheen in 2004 – met behulp van een klompje grafiet en plakband. In 2010 kregen beide wetenschappers de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de bijdrage die ze leverden aan het onderzoek naar het wondermateriaal.

Veel eerder al werd het theoretisch bestaan van grafeen onderzocht door PR Wallace.
In 1947, als uitgangspunt voor het begrijpen van de elektronische eigenschappen van het meer complexe 3D grafiet.

Het is uiterst zeldzaam dat een ontdekking zo snel met de Nobelprijs in aanmerking komt. Maar grafeen is dan ook niet zomaar gewoon een zoveelste nieuw materiaal maar reikt veel verder als dat.

De geheimen van het wondermateriaal zitten verborgen in de laagdimensionale wereld en het feit dat het koolstof is met een intrigerende geometrische vorm waarin de atomen verkeren, de hexagon, de meest stabiele kristallijne vorm.

Grafeen bestaat uit zuiver koolstof, een immens belangrijk element in de creatie van het universum. Koolstof alleen is goed voor 18 percent en in combinatie met water (een vormsel van water- en zuurstofatomen) zelfs meer dan 90 percent van de elektrische soep dat ons menselijk lichaam weet te binden.

Andere materialen uit koolstof zijn kool of grafiet, en diamant als 3D varianten. Buckyballs en koolstofnanobuisjes zijn respectievelijk 0 en 1D. Grafeen kan beschouwd worden als een 2D materiaal.

Indien je potlood (Nr2), papier en plakband bij de hand zou nemen kan je meteen eigenhandig aan de slag om het revolutionaire wondermateriaal te maken. Want meer als potlood, papier en de inmiddels welbekende ‘Scotch-tape’ is niet nodig.

Als we het potlood hanteren en een stukje van de punt doen of een potloodstreep op een papier aanbrengen en de klevende plakband daarop bevestigen – de uiteinden naar elkaar toebrengen – en wederom losmaken, dan verkrijgen we allerlei kleinere stukjes grafiet aan de plakband.

Elke keer je deze beweging doet verdwijnen er laagjes van het bulk grafiet. Dit gaat van grafiet tot meerlaags grafeen, en uiteindelijk tot een enkele atomaire laag grafeen.

Grafeen zelf is eigenlijk beduidend op een enkelvoudige laag ( maximum 6 – 10 lagen), terwijl het ook als een soort verzamelnaam wordt gebruikt voor de gehele nieuwe technologie.

Het komt wel vaker voor dat de term onterecht wordt gebruikt in een artikel of onderzoek waar het eigenlijk dun grafiet is.

De verschillende lagen van het grafeen worden in de hoogte (of dikte) gebonden door Van der Waals krachten. De verscheidene lagen die het grafiet vormen (3D) liggen zo gestapeld dat elke opeenvolgende laag een atoom heeft in het middelpunt van de vorige en volgende laag. Drie miljoen afzonderlijke opeengestapelde lagen vormen een hoogte van 1 millimeter.

In beeldspraak kunnen we het grafiet vergelijken met een brood met sneden van grafeen. Door het combineren of stapelen van verschillende sneden uit andere materialen kunnen wetenschappers nog andere materialen creëren, hybrides, met elk hun eigen speciale eigenschappen.

Er zijn nog laagdimensionale materialen die in de toekomst zullen doorbreken, materialen als molybdeniet, boornitride, siliceen en tal van samengestelde hybrides.

Het materiaal grafeen behoort echter tot een categorie dat geen gelijken kent.

De honingraat is dun, sterk, supergeleidend, flexibel en rekbaar, poreus en diamagnetisch, transparant, zelfherstellend, ultra-licht, roestwerend en resistent tegen hoge temperaturen.

De mogelijke gebruiken van het materiaal kunnen variëren van het verstevigen van constructies tot het vervaardigen van geprinte flexibele zonnepanelen of -ramen, waterfilters, bionische en organische lichaamsonderdelen, ruimteliften, kwantumcomputers, artificieel bloed, buigbare smartphones, en vooral nieuwe zaken, toepassingen die we nog moeten ontdekken.

Een opsomming leert dat het de groten der aarde zijn die investeren in onderzoek en onderzoek naar toepassingen in dit atomaire vel koolstof: IBM, Intel, Boeing, Samsung, NASA, LG, Nokia, Honda, HEAD, Vittoria, BASF, Toyota, GM, Energizer, Sony, Lockheed, … . Het is een lijst die blijft groeien.

In het verleden bleek echter dat grafeen zich niet zonder slag of stoot tot halfgeleider laat ombouwen zonder aan eigenschappen te verliezen.

Grafeen beschikt namelijk niet over een natuurlijke energiekloof of bandgap, een energiebereik in een vaste stof waar geen elektrontoestanden kunnen voorkomen. En die is nodig om stroom een halt kunnen toe te roepen. Men kan het voorstellen als een aan/uit-knop. Grafeen heeft geen uit-knop als we het zo kunnen stellen.

Om die reden valt puur grafeen ook niet zomaar te benaderen met Boolean-logica. De logische benadering die we sinds de opkomst van de transistor gebruiken om elektronische apparaten en computers aan te spreken door het gebruik van twee simpele integers, 0 of I. Maar toch kan het een sprookje worden in de kwantum fysica waar ze de spin van de elektron willen gebruiken om staten te bepalen, en daaraan gekoppeld hoe iets moet werken.

Qua gezondheidsrisico’s : Wel laat ons stellen dat grafeen, puur koolstof dus, niet giftig is voor de mens. Koolstofgebaseerd leven weet je. Koolstof is een veilige haven voor de mens. Uranium bijvoorbeeld, zou dan weer geen veilige haven zijn.

Hoewel er toch een keerzijde aan de medaille is.

Het probleem bestaat eruit hoe de wereld dit nieuwe materiaal gaat brengen, in welke schadelijke vormen en met wat het kan binden.

Tijdens het productieproces van sommige top down methodes (een benaming van de methode waar wetenschappers met iets starten en dit ‘afbouwen’) kunnen schilfers ontstaan, kleine deeltjes die de longen binnendringen en longblaasjes laten verstoppen (wat wellicht aan het vroegere asbest-gevaar doet herinneren) en mogelijk ook schade berokkenen bij productiemedewerkers of andere personen die het inhaleren opdat gekartelde schilfers cellen kunnen penetreren en ontstekingen veroorzaken.

Het materiaal kan ontgint worden op meerdere manieren: enkele daarvan zijn mechanische afschilfering – zoals de plakband – en ‘cold graphite destruction’ of intercalatie van grafiet, beide zijn top down methodes. Maar het materiaal kan ook gegroeid worden via CVD of Chemical Vapor Deposition, een chemisch proces waarbij gassen op hoge temperaturen worden gebruikt om vaste stoffen te verwekken. CVD – een bottom-up concept – wordt wel vaker gebruikt in de halfgeleiderindustrie.

Het wondermateriaal kwam eigenlijk als een geschenk voor wetenschappers en varieert zich over tal van gebieden doorheen de gehele wetenschappelijke sector. Van materiaalkunde tot kosmologie, tot chemie, kwantum fysica en mechanica, etc … De mogelijkheden en het potentieel is eindeloos met deze wonderbaarlijk solide ogende materie.

Grafeen is een mobiele bureau-versie van CERN ( de reusachtige installatie in Geneve waar wetenschappers op zoek gaan van waar elektronen hun massa halen )

Het is iets complexer als de volgende voorstelling maar neem nu het brood van grafiet: Telkens het grafiet een laagje dunner zou worden (door er de toplaag af te halen) verliezen de elektronen aan weerstand, tot je uiteindelijk een snede grafeen kan overhouden waar elektronen zich massaloos over het oppervlak bewegen, met amper weerstand en waar ze zich gedragen als kosmische straling.

Naast het peperdure CERN kunnen wetenschappers dus ook de transitie van grafiet naar grafeen – en omgekeerd- bestuderen om die vraag te beantwoorden.

Conclusie: Science-fiction werd science-fact.

0 Reacties