Modemateriaal grafeen blijft verbazen

Modemateriaal grafeen blijft verbazen
Koolstofkippengaas bobbelt en geleidt super
Noorderlicht.vpro.nl, maart 2007
Grafeen, een koolstofkristal van één atoom dik, is 'en vogue' onder natuurkundigen vanwege zijn gekke eigenschappen.
Onderzoekers uit Nijmegen maakten er voor het eerst een loshangend laagje van en in Delft lieten ze zien dat het supergeleidend
kan zijn.
Er waren al grafiet, diamant, voetbalvormige 'buckyballs' en buisvormige 'nanotubes', en sinds 2004 hebben natuurkundigen er
een nieuwe vorm van koolstof bij: grafeen, een koolstofkristal met een zeshoekig honingraatpatroon van één of enkele atomen
dik.
Eigenlijk bestaat grafiet, bekend van de vulling van potloden, ook al uit losjes gestapelde laagjes grafeen die gemakkelijk van
elkaar loslaten, vandaar dat potlood op papier een streep achterlaat. Maar pas in 2004 ontdekte Andre Geim van de Universiteit
van Manchester een manier om aan laagjes van één of enkele atomen dik te komen, door grafiet af te schrapen en goed tussen de
flinters te zoeken. De ontdekking leidde tot een ware onderzoekshausse naar deze nieuwste koolstofvariant.
Tot nog toe werden losse laagjes grafeen altijd gedragen door een ondergrond, of opgespannen in een lege ruimte tussen andere
materialen. Dat kan ook niet anders, want enkellaags-grafeen is een tweedimensionaal kristal. En dat is in losse vorm altijd
onstabiel, stelt een theorie van natuurkundigen Rudolf Peierls en Lev Landau uit de jaren dertig van de vorige eeuw.
Een vliesdun grafeengaasje (blauwig) dat aan een gouden houdertje (roodbruin) vastzit
Dunner kan niet: los grafeen is één atoom dik, maar er springen wel bobbels in (artistieke impressie)
Het Delftse grafeeenlaagje tussen twee supergeleidende elektroden. Het hele plaatje beslaat ongeveer 5 bij 5 duizendste milimeter
Desalniettemin is het onderzoekers uit Manchester (onder wie weer Geim), Nijmegen en Stuttgart gelukt om losse velletjes
enkellaagsgrafeen te maken. Door grafeen op een siliciumondergrond te leggen en het silicium vervolgens weg te etsen, bleven
losse vliesjes grafeen over, hangend aan een gouden houdertje. Uit nader onderzoek bleek dat de vliesjes werkelijk nog altijd
kristallen waren, met een regelmatige ordening van atomen in een kippengaaspatroon.
Toch kreeg ook de Landau-Peierls-theorie gelijk: in plaats van helemaal plat zijn er in enkellaags-grafeenvellen bobbels
gesprongen, als in nat papier. Met deze glooiende heuvels wordt het kristal een klein beetje driedimensionaal, en daarmee toch
stabiel, vermoeden de auteurs.
Andere onderzoekers interesseren zich vooral voor het nogal vreemde gedrag van elektronen in grafeen. Ieder koolstofatoom in
grafeen heeft drie buren en vier elektronen, waarvan er één vrij door het rooster van koolstofatomen kan bewegen. Door
interacties met andere elektronen gedragen elektronen in grafeen zich alsof ze geen enkele massa hebben, en bewegen ze altijd
met dezelfde snelheid (1/400 van de lichtsnelheid). Zoiets is in geen enkele andere stof gezien.
Onderzoekers van het Kavli-instituut voor Nanoscience van de TU Delft laten nu zien dat die elektronen onder bepaalde
omstandigheden ook supergeleiding vertonen. Dat is het weerstandloos stromen van een elektrische stroom bij lage
temperaturen.
Hubert Heersche en zijn Delftse collega's bevestigden een stukje grafeen tussen twee supergeleidende titanium-aluminiumelektroden, en koelden de zaak af tot enkele duizendste graden boven het absolute nulpunt. De supergeleiding in de elektroden
spreidde zich daarbij een eindje uit tot in het (normaal nooit supergeleidende) grafeen. Dat effect staat bekend als het
Josephson-effect, en het experiment laat zien dat ook de bijzondere massaloze elektronen in grafeen gevoelig zijn voor deze
'besmetting' met supergeleiding door het buurmateriaal.
Met hulp van dat effect is bovendien een transistor te maken, een elektronisch gestuurde schakelaar. Als de elektrische spanning
dwars op het overbruggende stukje grafeen wordt veranderd, kan de supergeleiding uit- of aangezet worden.
Omdat grafeen zulke bijzondere geleidingseigenschappen heeft, is de hoop dat er op een dag extreem kleine, efficiënte, en
hittebestendige elektronica of sensoren mee gemaakt kunnen worden. "Er zijn allerlei toepassingen denkbaar, maar alles staat of
valt met een betere manier om veel grafeen tegelijk te produceren", zegt hoogleraar natuurkunde Kees Maan van de Radboud
Universiteit. Hij denkt dat de uiteindelijke toepassingen eigenlijk niet te voorspellen zijn. De belangstelling is nu dan ook nog
vooral fundamenteel-wetenschappelijk, zegt Maan. "Grafeen opent een wereld van maffe verschijnselen, dus nu springt nu
iedereen er bovenop."