Boeken

Wednesday, November 10, 2010

Geniaal kippengaas

Grafeen is het allerdunste materiaal dat er bestaat. Sinds de ontdekking in 2004, houdt het onderzoekers wereldwijd in de greep. De ultieme droom: elektronica die draait op grafeen in plaats van op silicium. Grafeenchips kunnen kleiner en sneller worden dan ooit met silicium mogelijk is. En dit jaar ontvingen de grafeenontdekkers Geim en Novoselov eindelijk de Nobelprijs voor natuurkunde.



[Dit artikel heb ik eerder geschreven voor het maandblad KIJK van november 2009. Met toestemming heb ik het hieronder overgenomen. Overigens voorspelde ik vorig jaar dat de grafeenontdekkers de Nobelprijs zouden winnen. Dit jaar is dat gelukkig al bewaarheid.]



Krabbel wat met een potlood op papier, en er is een kans dat je, zonder het te weten en zonder het te kunnen zien, een uniek flintertje materiaal hebt afgeschraapt: grafeen. Het is het dunste materiaal ter wereld: precies één atoom dik. En het blijkt verrassingen te herbergen voor materiaalkundigen, voor fysici, chemici en ook voor de industrie.

Het al eeuwen bekende materiaal grafiet, waarvan de potloodpunt is gemaakt, is eigenlijk een opeenstapeling van een heleboel plakjes grafeen die vrij losjes aan elkaar zitten. Juist omdat die plakjes zo gemakkelijk loslaten, kun je zo goed krabbelen met een potlood. Meestal schraap je een heleboel plakjes tegelijk eraf, maar heel soms slechts een enkel plakje, en dan heb je grafeen.

Decennialang hadden natuurkundigen gedacht dat grafeen niet kon bestaan. Om de eigenschappen van grafiet beter te begrijpen had de Canadees Philip Wallace in 1947 als eerste gerekend aan een éénatomig laagje. Het werd beschouwd als niet meer dan theoretische vingeroefening. Leuk om aan te rekenen. Maar men wist zeker dat een grafietlaagje van één atoom dik instabiel zou zijn: het zou uit elkaar kunnen vallen, kunnen oprollen of meteen chemisch reageren.

Plakband
Als grafeen in grafiet zit, kun je het er dan niet heel voorzichtig vanaf schrapen, ook al blijft het misschien maar heel eventjes bestaan?

Met dure hightech-apparatuur probeerde de Amerikaan Philip Kim aan het begin van de 21e eeuw toch maar eens om steeds dunnere laagjes van het potloodmateriaal af te schrappen. Met veel moeite was hij tot een soort pannenkoek van dertig grafeenlaagjes gekomen. Een hele prestatie, maar nog ver van grafeen. De doorbraak kwam in 2004. En niet van dure apparatuur, maar van een simpel stukje plakband.

Andre Geim, een geboren Rus met een Nederlands paspoort (zie kader), deed samen met zijn Russische collega Kostya Novoselov de ontdekking aan de universiteit van Manchester in Engeland. Ze maakten optimaal gebruik van het toeval en een paar verbazingwekkend simpele ideeën. Ze sloegen potloodgrafiet in een heleboel stukjes kapot. Ze pikten het dunste flintertje eruit en plakten het op een stukje plakband. Vervolgens vouwden ze de andere helft van het plakband over het flintertje heen en trokken het er weer af. Het flintertje was in twee dunnere helften gespleten.

Ze herhaalden de priegelige plakbandtruc meerdere malen en met talloze flintertjes grafiet. Allemaal trial-and-error. De overgebleven stukjes onderzochten ze onder een lichtmicroscoop en tot hun grote opwinding vonden ze stukjes die precies één atoom dik waren: grafeen. Nog gekker: de stukjes vielen niet uit elkaar, rolden niet op en reageerden niet. Ze hadden een hoge kwaliteit, waren sterk en chemisch stabiel.

Geim voelde dat hij de grote ontdekking had gedaan die hij zo lang had gezocht. In 2006 zei hij daarover in het tijdschrift Physics World: “In de verschillende terreinen waar ik twintig jaar lang heb gewerkt, was ik steeds op zoek naar iets groots. Voorheen vertrouwde ik op professionalisme en hard werken, maar had ik geen geluk. Ik denk dat ik nu geluk heb gehad en dat we op goud zijn gestoten.” Geims concurrent Philip Kim besefte dat hij de strijd om de ontdekking van grafeen had verloren en stapte meteen over op de plakbandmethode. Op conferenties vertelde hij eerlijk: “Ik ben verslagen door een stukje plakband.”


                           Over elkaar vallende plakjes grafeen onder de microscoop

Grafeen wordt nu gezien als de moeder van alle vormen van grafietachtige materialen. De atoomstructuur van grafeen ziet eruit als kippengaas of honingraat: een tweedimensionaal rooster van aan elkaar geschakelde zeshoeken, met op elke hoek een koolstofatoom. Als je grafeenlagen op elkaar stapelt krijg je grafiet. Als je grafeen oprolt tot een cilinder, krijg je een koolstofnanobuis, waar natuurkundigen ook al jaren door gefascineerd zijn. En als je grafeen oprolt tot een bol, krijg je een voetbalmolecuul, of buckybal, waarvoor de ontdekkers in 1996 de Nobelprijs voor Scheikunde ontvingen. Het platte vlak, de cilinder en de bol – allemaal verschillende manieren waarop koolstofatomen zich laten rangschikken, en allemaal met andere, verrassende eigenschappen.

Massaloos
De ontdekking van het eerste éénatomige materiaal leidde in eerste instantie vooral tot opwinding onder materiaalkundigen. Dat veranderde eind 2005-begin 2006. Theoretisch natuurkundige Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden woonde begin 2006 een lezing van Geim in Leiden bij. “Hij liet toen zien dat de vrije elektronen in grafeen zich gedragen alsof ze geen massa hebben en overal doorheen vliegen. Dat is bizar. We kennen geen enkel ander materiaal waarin dat gebeurt. Ik begreep meteen dat grafeen hiermee ook voor natuurkundigen extreem interessant is. Een nieuwe wereld ging open. Ik ben onmiddellijk gestopt met wat ik aan het doen was, en heb mijn hele onderzoeksgroep op grafeen gezet. Binnen de kortste keren vonden wij – en andere onderzoekers wereldwijd – een stroom aan nieuwe dingen over grafeen.”

Ondanks dat grafeen maar een atoom dik is, bleek het fantastische mechanische eigenschappen te bezitten. Het is sterk en er komen geen defecten in voor, zoals in alle andere materialen wel het geval is. Hoe mooi silicium ook is voor toepassingen in de halfgeleiderindustrie, het vertoont altijd wel wat imperfecties. Grafeen niet: geen uitsteeksels, geen gaten. Het is zo vlak als een gedroomd biljartlaken. Daarnaast heeft het de aantrekkelijke scheikundige eigenschap dat elk koolstofatoom in grafeen een vrij pootje heeft waar je moleculen aan kunt hangen. Je zou grafeen bijvoorbeeld kunnen benutten in een chemische sensor, door het zo te ontwerpen dat het een bepaald molecuul detecteert via zijn pootjes.

“De mooiste grafeenontdekking van het afgelopen jaar,” vertelt Beenakker, “is dat je aan dat pootje een waterstofatoom kunt hangen, dat je er ook weer gemakkelijk kunt afhalen. Dat biedt mogelijkheden voor de opslag van waterstof, als we waterstof in de toekomst willen gebruiken als schone en efficiënte energiedrager. Wat ik extra bijzonder vindt, is dat het weer de groep van Geim is die dit heeft ontdekt. Hij heeft niet één unieke ontdekking gedaan, waarna anderen ermee verder gaan, zoals het vaak gaat. Nee, hij blijft zelf met nieuwe ontdekkingen komen.”

Grafeenelektronica
Binnen vijf jaar tijd na de ontdekking van grafeen zijn er legio uiteenlopende toepassingen verzonnen: kwantum-dotcomputers, chemische sensoren, slimme displays, supersterke nieuwe materialen, grafeenantennes, nanoveertjes, nanomembraantjes en nanoballonnetjes.

De meest revolutionaire toepassing lijkt die in de elektronica te zijn. Nu nog zijn elektronische componenten gebaseerd op de halfgeleider silicium. Geim en andere grafeenonderzoekers dromen van een elektronica die draait op het materiaal dat niet kon bestaan. In principe kun je van grafeen bijvoorbeeld dunne draadjes snijden – niet meer dan tien atomen dik – die ook nog sterk zijn, iets wat met geen ander materiaal kan. Zo zou je met grafeen misschien ultrasnelle transistors kunnen maken, waarmee je veel kleinere en snellere chips kunt fabriceren dan ooit mogelijk is met silicium. Het is afwachten wat van zulke beloften terechtkomt, want voorlopig bestaat er nog geen enkele toepassing van grafeen.

Maar zowel de universiteiten als de industrie zien de grote mogelijkheden van het koolstofkippengaas. In april 2009 ontving Beenakker een Europese subsidie van 1,5 miljoen euro voor zijn theoretische onderzoek naar de elektrische eigenschappen en mogelijkheden van grafeen. Hij gaat er vooral nieuwe jonge mensen mee aantrekken. Voor het experimentele onderzoek werkt hij samen met de universiteiten van Delft, Groningen en Nijmegen. Samen hebben ze ook nog eens drie miljoen euro Nederlands onderzoeksgeld ontvangen voor grafeenonderzoek.

“Elektronen in grafeen zich gedragen alsof ze geen massa hebben”, vertelt Beenakker over de elektronische eigenschappen van grafeen. “Je kunt het je niet voorstellen, maar het is wel zo. Voeg daar het feit aan toe dat grafeen geen imperfecties vertoont, en het verklaart waarom het elektrische stroom zo goed geleidt. En dat zonder dat je aan het materiaal ook maar iets hoeft te verbeteren, en ook nog gewoon bij kamertemperatuur. De elektronen rennen door het grafeen met een snelheid die maar een factor driehonderd lager is dan de lichtsnelheid in vacuüm.”

Die prachtige eigenschap is tegelijk ook een nadeel. Je kunt elektronen in grafeen niet stoppen. En dat is nou net wat wel nodig is om grafeen als een elektronicacomponent te gebruiken. Moderne elektronica werkt met aan en uit, met 1 en 0. Dat wordt lastig als elektronen zich niet laten afremmen. Het vinden van slimme manieren om dat toch in grafeen voor elkaar te krijgen, is de uitdaging voor Beenakker. “Ik vergelijk grafeen met een raspaard. Het ziet er prachtig uit, het is razendsnel, het is veelbelovend, maar je moet het wel temmen.”

Zelf heeft hij al een paar ideeën gelanceerd om grafeen te temmen. “Net zoals de elektronen in grafeen, wegen lichtdeeltjes ook niks. Met optische materialen kun je lichtdeeltjes ook moeilijk stoppen. Met een truc lukt het wel, bijvoorbeeld door twee polaroidfilters op de juiste manier achter elkaar te zetten. Ik heb theoretisch laten zien dat je voor grafeen een soort polaroidfilters kunt maken waarmee je de elektronen wel kunt stoppen. Maar als theoreticus maak ik zelf niets en heb ik ook geen lab. Nu is het aan experimentatoren om te kijken of dit idee ook maakbaar is.”


                                                            Grafeentransistor

DNA-analyse 
Een ander origineel idee is om grafeen te gebruiken voor supersnelle en goedkope DNA-analyse. Heel handig voor medisch en forensisch onderzoek. Liefst zou je menselijk DNA in een minuut willen analyseren, maar de huidige technieken zijn daar nog ver van vandaan. Misschien dat het wel lukt met een idee dat de Nederlander Henk Postma vorig jaar publiceerde. Snij een kleine spleet in grafeen, schuif daar DNA doorheen en lees het erfelijke materiaal letter voor letter af. De elektrische geleiding van grafeen hangt namelijk af van welke letter van het DNA – het basenpaar A, C, G of T – in de spleet zit. Meet de geleiding, en je weet welke basenpaar er zit. Postma wil deze zomer aan de TU Delft gaan experimenteren of dit idee in de praktijk haalbaar is.

Ideeën voor toepassingen van het materiaal dat niet kon bestaan zijn er te over. Een belangrijk praktisch probleem is echter nog onopgelost. Stel, je hebt een prachtige toepassing die werkt in het lab en die klaar is voor massaproductie. Hoe maak je dan genoeg grafeen? Nog steeds gebeurt dat met de plakbandmethode van Andre Geim. Maar daarmee kun je in een week een paar schilfertjes grafeen afschrapen – genoeg voor onderzoek in het lab, maar veel te weinig voor massaproductie. Net als met silicium zou je grafeenplakken op een gestandaardiseerde manier in grote hoeveelheden willen maken. Beenakker: “Daar gebeurt momenteel veel onderzoek naar, maar niemand weet nog hoe dat moet.”

[Kader 1:]
‘Geen goed onderzoek zonder humor’ 

Grafeenontdekker Andre Geim staat bekend als een charismatisch experimenteel onderzoeker – een echt uitvindertype ook. Hij werkte tussen 1994 en 2001 aan de Radboud Universiteit Nijmegen, kreeg een Nederlands paspoort, maar zijn onderzoeksstijl viel niet bij iedereen in goede aarde. Hij houdt van wat hij ‘hit-and-run’-experimenten noemt: neem een gek idee en ga in het lab proberen of het werkt. Werkt het niet, dan stap je snel over op iets nieuws. Maar heel soms vind je iets unieks, zoals grafeen in 2004. Of een jaar eerder, toen Geim ‘gekko-tape’ wist te maken: een nieuw soort tape dat werkt zoals de voetjes die de gekko (een soort hagedis) zijn spidermanachtige klimeigenschappen geeft, zonder dat er lijm aan te pas komt.

Helaas voor Nederland vond Geim het academische klimaat te hiërarchisch en te politiek, en hij vertrok naar Manchester in Engeland: “Ik vertrok omdat ik denk dat mijn gevoel voor humor niet dezelfde was als die van de wetenschappelijke gemeenschap in Nederland.” En in februari 2006 zei Geim in een interview met Physics World: “Sommige natuurkundigen denken dat als ze saai onderzoek doen, ze automatisch serieus onderzoek doen. Maar in mijn ervaring zijn mensen zonder een goed gevoel voor humor ook geen goede wetenschappers. Ze realiseren zich niet dat wetenschap niet saai hoeft te zijn om goed te zijn.”

[Kader 2:]
Wachten op de Nobelprijs 
Het kan niet missen: Andre Geim – een Rus met een Nederlands paspoort – en de Rus Kostya Novoselov gaan de Nobelprijs winnen voor hun ontdekking van grafeen in 2004. De vraag is alleen wanneer dat gaat gebeuren. Moeten ze er nog decennia op wachten, zoals het helaas vaak met Nobelprijzen gaat, of cashen ze al binnen enkele jaren? “De ontdekking is absoluut een Nobelprijs waard,” zegt ook de Leidse fysicus Carlo Beenakker, “zelfs al komt het nooit tot praktische toepassingen. Ik hoop echt dat het werk snel wordt beloond.”

[Dit schreef ik in 2009. Nou, gelukkig hebben ze niet lang hoeven wachten. Afgelopen oktober werd bekend dat Geim en Novoselov de Nobelprijs natuurkunde 2010 hebben gewonnen.]

Geim won in 2000 al een IgNobelprijs voor het laten zweven van een kikker in een magneetveld, werk dat hij in Nijmegen had uitgevoerd. De IgNobelprijs is een prijs voor wetenschappelijk onderzoek dat eerst aan het lachen brengt en daarna aan het denken zet. De prijs heeft inmiddels een cultstatus verworven. Na de ontdekking van hoge-temperatuursupergeleiders in 1986 waren natuurkundigen gefascineerd door foto’s van extreem koude supergeleiders die boven een magneetje zweven. Volgens Geim besefte bijna niemand dat je hetzelfde effect kunt gebruiken om ieder levend wezen van de grond te tillen. Hij kreeg het in een Nijmeegse supermagneet voor elkaar met een levende kikker. De foto van de zwevende kikker ging de hele wereld rond en lokte veel reacties uit.


Internet
Onderzoek van grafeenontdekker Andre Geim: www.graphene.org