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

Het is zeer zeldzaam dat een ontdekking zo snel met een Nobelprijs in aanmerking komt. Grafeen is dan ook niet zomaar een zoveelste nieuw materiaal, maar reikt veel verder als dat.

Reeds van veel vroeger in de geschiedenis werd het theoretisch bestaan van grafeen onderzocht, door PR Wallace.
Dat was in 1947, als uitgangspunt voor het begrijpen van de elektronische eigenschappen van het meer complexe 3D grafiet.

De geheimen van het wondermateriaal liggen verborgen in de laagdimensionale wereld en het feit dat het koolstof is, terwijl de atomen gepositioneerd zijn in een intrigerende geometrische vorm: 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 brengt men onder in de categorie 2D materialen.

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

Als je een stukje van de punt van het potlood doet, of een potloodstreep op een papier aanbrengt, en de klevende plakband daarop kan bevestigen – de uiteinden naar elkaar toebrengen – en wederom losmaken, dan verkrijg je allerlei kleinere stukjes grafiet aan de plakband.

Elke keer je deze beweging doet verdwijnen er laagjes van het bulk grafiet op de plakband. Dit gaat zo voort van dun grafiet tot meerlaags grafeen, en uiteindelijk verkrijg je een enkele atomaire laag grafeen.

Grafeen zelf is eigenlijk beduidend op een enkelvoudige laag ( en 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, aanbieding of publicatie en het gebruikte materiaal eigenlijk dun grafiet is.

De verschillende aparte 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 toe tot een categorie dat geen gelijken kent.

De honingraat uit koolstof 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 beduidt dat het de grote 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, Apple, Tesla Motors, … . 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. (dit als we de elektronische eigenschappen van het grafeen willen benutten.)

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 wereld van de kwantumfysica, waar ze de spin van het elektron willen gebruiken om de 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.

Mogelijke problemen bestaan eruit hoe de wereld dit nieuwe materiaal zal brengen, in welke mogelijke schadelijke vormen, en met wat exact de molecule kan binden.

Tijdens het productieproces in 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). Mogelijk kunnen deze deeltjes ook schade berokkenen bij productiemedewerkers of andere personen die ze inhaleren, omdat gekartelde schilfers cellen kunnen penetreren en daarna 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 compleet ander methode. CVD is 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, om computerchips te maken.

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, kwantumfysica en -mechanica, … . De mogelijkheden en het potentieel van deze wondermaterie is eindeloos.

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