Grafeen – wat is het en waarvoor wordt het gebruikt?

Grafeen – wat het is en waar het vandaan komt

Het baanbrekende karakter van grafeen ligt vooral in zijn tweedimensionaliteit. Fysiek is het een laag van enkele koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekig patroon dat visueel lijkt op een honingraat. Grafeen is dus een allotroop van koolstof. In de jaren veertig ontwikkelde Phillip Russel Wallace het theoretische concept om een koolstofstructuur met één atoom te creëren. Dit idee wordt echter al vele jaren door de meeste wetenschappers verworpen. Pas zes decennia later kon het worden omgezet in een echt, tastbaar materiaal. Het duo Gejm en Nowosiolow van de Universiteit van Manchester slaagde erin grafeen te isoleren uit een klomp grafiet door koolstofatomen met plakband op een laag siliciumdioxide (SO ₂ ) over te brengen. Silica speelde een belangrijke rol in dit proces, het isoleren van een grafeenlaag met een neutrale elektrische lading. Deze methode wordt momenteel alleen op kleine schaal gebruikt voor onderzoeksdoeleinden.

Ongebruikelijke eigenschappen van grafeen

Wat is er met deze ultradunne laag koolstofatomen die de wetenschappelijke wereld heeft gefascineerd? Grafeen heeft bewezen een extreem goede geleider van warmte en elektriciteit te zijn. Het wordt ook gekenmerkt door een lage actieve weerstand. Wat dat betreft is het een concurrent van koper en silicium. Bij kamertemperatuur vertonen grafeenelektronen een mobiliteit die ongekend is in andere materialen. Hun hoge snelheid die 1/300ste van de lichtsnelheid bereikt, opent interessante mogelijkheden voor gebruik in de diagnostiek. Grafeen is ook bijna transparant: het absorbeert 2,3%van het wit licht. Daarom gaat zijn uitzonderlijke elektrische potentieel hand in hand met het optische. Ondanks zijn extreem dunne structuur is grafeen tot 100 keer sterker dan staal. Tegelijkertijd behoudt het een hoge mate van flexibiliteit (tot 20%rekbaarheid in lengte of breedte). Een geoxideerd grafeenmembraan is volledig ondoordringbaar voor gassen, maar toch permeabel voor water, en kan dus worden gebruikt voor filtratie. Ook de antimicrobiële eigenschappen van het materiaal zijn opmerkelijk.

Toekomstig grafeen – toepassingen in verschillende industrieën

De elektronische, optische, thermische en mechanische eigenschappen van grafeen hebben de deur geopend naar de vele praktische commerciële toepassingen, die zich volgens experts in de komende decennia dynamisch zullen ontwikkelen. Grafeen wordt vandaag al beschouwd als de opvolger van silicium op elektronisch gebied. Deze transparante en flexibele geleider kan worden gebruikt voor de productie van fotovoltaïsche cellen, oprolbare displays en aanraakpanelen, evenals voor LED-verlichting. Het verhoogt ook de frequentie van elektromagnetische signalen aanzienlijk, waardoor snellere transistors kunnen worden geproduceerd. Ook grafeensensoren trekken veel belangstelling. Dankzij de uitzonderlijke gevoeligheid kunnen ze afzonderlijke moleculen van gevaarlijke stoffen detecteren, waardoor het gemakkelijker wordt om de omgeving te bewaken. Grafeenoxide dat in de lucht wordt verspreid, heeft ook het vermogen om radioactieve verontreinigingen te verwijderen. Het vooruitzicht om nieuwe producten met grafeen te ontwikkelen neemt elk jaar toe. Bestaande toepassingen met het grootste potentieel zijn onder meer:

• moderne elektriciteitsnetten;
• energiezuinige lichtbronnen;
• halfgeleiders gebruikt in spintronische apparaten;
• effectievere anti-corrosie coatings;
• waterfiltratie voor zuivering en ontzilting;
• opto-elektronische communicatiesystemen.

Daarnaast wordt er gespeculeerd over het toekomstige gebruik van grafeen voor de productie van lichtere en duurzamere structurele componenten voor auto’s, vliegtuigen, schepen en apparaten. In combinatie met kunstmatige materialen (bijvoorbeeld rubber) zou het bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om thermisch geleidend rubber te maken. Op basis van grafeen is al een oersterk papier ontwikkeld dat elektriciteit kan geleiden.

Biocompatibel grafeen – medische toepassingen

Opmerkelijk is ook de mogelijkheid om grafeen te gebruiken in de medische biologie, zowel op diagnostisch als op therapeutisch gebied. Als medicijndrager wordt grafeenoxide gekenmerkt door een hoge biocompatibiliteit en uitstekende oplosbaarheid. Dit zorgt voor een nauwkeurige dosering van ontstekingsremmende en kankerbestrijdende middelen, enzymen en minerale stoffen. Omdat grafeen een perfecte warmtegeleider is, wordt het ook gebruikt om kankergezwellen te vernietigen. Het fenomeen thermolaesie maakt het mogelijk om de warmte die daardoor wordt opgehoopt te gebruiken om pijn in weefsels te verminderen. Er wordt al gewerkt aan de productie van verwarmde medische accessoires en kleding. Grafeenplaten worden ook gebruikt als biosensoren en kunnen helpen bij het diagnosticeren van kanker en neurologische aandoeningen (bijv. epilepsie of de ziekte van Parkinson) met draagbare apparaten. De grafeensonde die door de Polen is ontwikkeld, zal naar verwachting een revolutie teweegbrengen in ECG-tests door metingen vanaf het hartniveau mogelijk te maken. De antibacteriële eigenschappen van grafeen bieden ook een kans om de crisis op te lossen die verband houdt met de groeiende ongevoeligheid van bacteriën voor antibiotica. Grafeen kan worden gebruikt als basis voor de ontwikkeling van middelen die bedoeld zijn voor plaatselijke infectiecontrole en wonddesinfectie. De mogelijkheid om grafeen te gebruiken in tissue engineering lijkt veelbelovend. De mechanische sterkte van de innovatieve koolstofsteiger is extreem hoog. Studies tonen aan dat het de differentiatie van stamcellen versnelt en een sneller herstel bevordert.

productie van grafeen

Sinds 2014 wordt grafeen op grotere schaal geproduceerd voor commerciële doeleinden. Nieuwe micromechanische technieken hebben een aanzienlijke prijsverlaging van het materiaal mogelijk gemaakt. Momenteel zijn de belangrijkste producenten de VS en China, waar aanzienlijke hoeveelheden goedkoop amorf grafiet te vinden zijn. Gewenst op het gebied van elektronica, moet premium grafeen worden geproduceerd uit grafiet van voldoende kwaliteit en dit vereist platte, geordende kristallen die zijn verkregen in een speciale verwerking. De prijs van het materiaal is dan navenant hoger. Koreaanse onderzoekers zijn erin geslaagd een efficiënte en kosteneffectieve manier te ontwikkelen om grafeen te produceren door middel van chemische dampafzetting (CVD). Het nadeel van deze oplossing is een lagere kwaliteit van het materiaal en een hogere frequentie van defecten. In sommige toepassingen vormt dit echter geen probleem. Polen hebben ook bijgedragen aan de ontwikkeling van innovatieve methoden voor de productie van grafeen. Het Institute of Electronic Materials Technology in Warschau heeft een patent voor de productie van het materiaal uit siliciumcarbide. In 2015 ontwikkelden onderzoekers van de Universiteit van Lodz, Polen, een baanbrekende HGSM-technologie die de productie van hoogwaardige grootformaat vellen uit de vloeibare fase mogelijk maakt.

Is grafeen veilig?

Als relatief nieuw materiaal roept grafeen begrijpelijke twijfels op in de context van de mogelijke effecten op de menselijke gezondheid. Er zijn zelfs beweringen dat de dunne en lichte structuur van grafeen gemakkelijk in de longen terechtkomt en een bedreiging vormt die vergelijkbaar is met stof of zelfs asbestvezels. Chinese studies suggereren zelfs dat nanodeeltjes van tweedimensionale koolstof zich kunnen nestelen in interne organen. Er is ook een theoretisch risico dat grafeen, door in oppervlakte- en grondwater te komen, schadelijk kan zijn voor planten en dieren. De fijne deeltjes kunnen zich aan de randen van waterlichamen afzetten en de waterhardheid verhogen. Volgens de huidige kennis is grafeen echter niet giftig en heeft het geen affiniteit met gevaarlijke stoffen. De hoeveelheden, en dus de potentiële blootstelling, zijn ook extreem laag of zelfs verwaarloosbaar. Bij contact met de huid vertoont het geen irriterende eigenschappen. Ook tonen internationale studies aan dat inademing geen nadelige immunologische reacties veroorzaakt. Er is een algemene consensus in de wetenschappelijke gemeenschap over de noodzaak van verder onderzoek naar de eigenschappen en toepassingen van grafeen, inclusief de veiligheid ervan. Hierdoor kunnen de methoden voor het gebruik van het innovatieve materiaal worden geoptimaliseerd met het oog op langetermijneffecten op mens en milieu.