Grafeen is nu twintig jaar oud. Ontdekt door Andre Geim en Konstantin Novoselov, twee fysici van de Universiteit van Manchester. The Conversation vierde dit jubileum in een stuk van Stephen Lyth, over de resultaten, en hun tekortkomingen. Tot nu toe heeft grafeen niet al zijn beloftes ingelost. Misschien komt dat nog?
Grafeen is een kristallijne vorm van koolstof; bestaand uit een enkele laag grafiet, één atoom dik. De claims zijn overweldigend. Grafeen zou sterker zijn dan staal, buitengewoon flexibel, superglad en ondoordringbaar voor gassen. Een betere geleider van stroom dan koper, en een betere warmtegeleider dan diamant. Bijna onzichtbaar, en met veel exotische kwantum-eigenschappen. Grafeen is buitengewoon licht, en flexibel met een groot oppervlak. Het is, zo zegt men, ook milieuvriendelijk en duurzaam, met heel veel toepassingsmogelijkheden.
Sterkste materiaal
Met grafeen zouden we de volgende generatie elektronica kunnen maken. Snellere transistoren, halfgeleiders en buigzame telefoons. De stof kan worden gebruikt als betere coating voor touchscreens bij telefoons en tablets. Ook om supersnelle computers te maken. Deze super-rekenkracht zouden we kunnen gebruiken in de hele chemische industrie – van medicijn- tot modelontwerp; en zelfs op de aandelenbeurs, bij financiële analyses. Zelfs in niet-perfecte vorm is grafeen het sterkste materiaal ter wereld.
Sommige claims zijn fantastischer. Zoals de ruimtelift. Deze gebruikt een tuier – een zeer lange ladder – die vanuit een satelliet neergelaten kan worden op de Aarde. Via zo’n tuier zouden astronauten dan naar boven kunnen klimmen. Grafeen zou ook gebruikt kunnen worden voor zonne-zeilen. Ruimteschepen die daarmee zijn uitgerust hebben geen brandstof nodig; ze kunnen daardoor veel lichter zijn, en gemakkelijker te lanceren. Iets heel anders is het gebruik in kunstmatige retina’s, waarmee we mensen kunnen helpen met slecht zicht. En sommigen dromen zelfs van het gebruik van grafeen in een onzichtbaarheidsmantel.
Verwachtingen
Nog steeds loopt het onderzoek naar toepassingen als een trein. Toch zijn sommigen teleurgesteld. Kort na de ontdekking van grafeen waren de verwachtingen torenhoog. Al zes jaar na hun ontdekking kregen Geim en Novoselov de Nobelprijs voor natuurkunde, en dit voedde nog verder het enthousiasme over dit wondermateriaal.
Maar zoals vaak waren de verwachtingen te hoog gestemd. Grafeen kon niet alle beloftes waarmaken. Wat wel gebeurde: er was een constante reeks artikelen, en een gestage integratie van grafeen in vele toepassingen. Veel daarvan is te danken aan het Graphene Flagship – een groot Europees onderzoeksinitiatief gecoördineerd door Chalmers Technologisch Instituut in Zweden. Hierdoor zijn de afgelopen tien jaar meer dan 90 producten ontwikkeld.
Lichter, flexibeler, veiliger
Zo werden gemengde plastics met grafeen gebruikt in hoogwaardige sportartikelen als tennisrackets. Grafeen werd ook toegepast in een ‘ronde, volgende-generatie amorfe (niet-kristallijne) bal’, die de heilige graal vertegenwoordigt van lage rolweerstand, betere grip in droge toestand en duurzaamheid. Het werd ook gebruikt om een nieuwe motorhelm te maken. Deze heeft een coating van grafeen, die een betere verdeling van inwerkende krachten mogelijk maakt. Waardoor de helm veiliger en comfortabeler wordt. En ook werden ontwikkeld thermisch geleidende coatings voor motoronderdelen, en smeermiddelen die zorgen voor minder weerstand en slijtage van mechanische delen.
En verder? Batterijen zouden met grafeen veel beter kunnen worden. Ze kunnen lichter worden en flexibeler, sneller kunnen laden, meer vermogen hebben, en geschikt zijn bij uiteenlopende temperaturen. Grafeen kan ook worden gebruikt in supercondensatoren, apparaten die elektriciteit opslaan. Ze hebben enige nadelen ten opzichte van batterijen (lagere energieopslag); maar ze kunnen veel sneller laden en ontladen dan batterijen. Ze verouderen niet zo snel als een batterij, en kunnen daardoor honderdduizenden keren laden en ontladen.
Nog meer toepassingen
En dan zijn er nog geleidende grafeen-inkten. Ze worden nu gebruikt om sensoren te maken, en goedkope draadloze trackingtags, waarmee we goedkoop, milieuvriendelijk en duurzaam kunnen produceren. We kunnen nu ook printen met geleidende inkten gebaseerd op grafeen, waarmee we innovatieve oplossingen kunnen bieden in elektronica, sensoren, en optische en verwarmingssystemen. Dit biedt ook mogelijkheden om chronische ziektes als diabetes te volgen. En het kan worden gebruikt bij elektromagnetische bescherming. Hierbij worden elektronica en kabels beschermd tegen binnenkomende of uitgaande elektromagnetische straling. We gebruiken grafeen zelfs in koptelefoons, om de geluidskwaliteit te verbeteren. Het materiaal is ultralicht en ultradun, én heel sterk, waardoor het uitermate geschikt is voor diafragma’s in koptelefoons.
En dan is er ook nog grafeenoxide (GO) – een materiaal met een wat geheimzinnige structuur. Toch heel nuttig in zijn toepassingen. Zoals bij de ontzilting van water. Een nieuwe startup, G2O Water, biedt een membraantechnologie aan op basis van grafeen; te gebruiken bij elk filter, terwijl het de energiekosten van filtreren vermindert met 80-90%. Bij de behandeling van afvalwater heeft GO een aantal voordelen. Bij traditionele methoden zijn er altijd beperkingen in termen van efficiency, kosten of selectiviteit. Een van de voordelen van GO is het grote oppervlak, met een grote adsorptiecapaciteit. Hierdoor hebben GO membranen ook een uitzonderlijk vermogen om onzuiverheden weg te vangen uit waterige oplossingen. Een uitstekende keuze bij waterzuivering, door de grote hoeveelheid geoxideerde functionele groepen en het grote oppervlak.
Grote bedrijven
The Conversation noemt ook onderzoek dat nog aan de gang is. Door grote bedrijven als SpaceX, Tesla, Panasonic, Samsung, Sony en Apple. Allemaal bedrijven waarvan wordt gezegd dat die nieuwe producten uit grafeen ontwikkelen.
Er ligt nog steeds een grote belofte in grafeen. Ook al is er niet veel publiciteit rond de successen van het materiaal. Ale het eenmaal is opgenomen in een werkend product, hoeft het eigenlijk niet meer te worden genoemd. Bovendien kunnen er patentkwesties zijn waardoor bedrijven er niet teveel over willen zeggen. Toch wordt grafeen steeds meer toegepast. Na twintig jaar worden de successen van grafeen in stilte gevierd, zonder veel trompetgeschal.
Interessant? Lees dan ook:
Grafeen in beton
Transitie met gebruik van de bestaande energie-infrastructuur
Omgaan met de complexiteit van biomassa