Grafeen – een materiaal dat de wereld kan veranderen

Geleerden overal ter wereld haasten zich om manieren te vinden om een nieuw materiaal te produceren en toe te passen dat flexibel en soepel is, honderden keren sterker dan staal en slechts één atoom dik. Als ze daarin slagen, zou grafeen onze wereld net zo kunnen veranderen als de introductie van plastic of zelfs van ijzer.

Grafeen: een woord om te onthouden

Een nieuw materiaal dat nog geen tien jaar bestaat, houdt misschien dezelfde belofte in als plastic toen het net was uitgevonden, of zou zelfs even grote veranderingen teweeg kunnen brengen als ijzer toen het brons verving als het metaal dat werd gebruikt om nieuwe beschavingen mee te bouwen.

Grafeen werd pas in 2004 ontdekt, en de geleerden die het wisten te isoleren hebben in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde ontvangen. Dit nanomateriaal houdt wetenschappers, ondernemers en high-techbedrijven wereldwijd in zijn ban, dankzij de verbazingwekkende eigenschappen die het bezit.

Wat is grafeen nu eigenlijk?

In principe is het een laagje koolstof van slechts één atoom dik. Naar schatting zou een stapel van 3 miljoen vellen grafeen ongeveer 1 millimeter dik zijn. Het is soepel en flexibel, maar extreem hard, en het is honderden keren sterker dan staal. Het is een geweldige geleider voor elektriciteit, en het smeltpunt ligt boven de 3000 graden Celsius.

In diverse industrietakken wordt momenteel gewerkt met uiterst geavanceerde materialen, zoals titaniumlegeringen, monokristalmaterialen en koolstofvezels. Deze materialen worden voortdurend onderzocht op hogere warmtebestendigheid, flexibiliteit en andere eigenschappen. Als grafeen zijn aanvankelijke belofte kan waarmaken, zou dit het zoeken naar deze eigenschappen een grote stap vooruit kunnen brengen. Het zou de weg kunnen plaveien naar veel lichtere, dunnere en sterkere constructies en zou potentieel kunnen worden gebruikt in alles van superlichte vliegtuigen tot ontziltingsinstallaties en razendsnelle computers.

Grafeen in de markt

Tot nu toe is dit materiaal nog te kostbaar om anders dan in onderzoekshoeveelheden te produceren, en zijn er nog geen commerciële producten op de markt. Maar bedrijven en landen overal ter wereld investeren honderden miljoenen dollars in research. De Europese Commissie heeft van grafeen een speciaal project gemaakt en meer dan 1 miljard Amerikaanse dollar subsidie verstrekt om te helpen met de financiering van tien jaar onderzoek en ontwikkeling door vooraanstaande onderzoeksinstellingen en grote bedrijven in 17 landen in Europa. (http://www.graphene-flagship.eu)

Tijdrovend proces

Het integreren van nieuwe materialen in massaproductie kan tientallen jaren kosten. Koolstofvezel is bijvoorbeeld al een halve eeuw geleden uitgevonden. Rolls-Royce wilde koolstofvezel in de jaren 1960 in rotorbladen van vliegtuigmotoren gaan toepassen, maar toen bleek dat de bladen kwetsbaar waren bij botsingen met vogels, waardoor de plannen van het bedrijf werden verstoord.

De eerste commerciële haalbare grafeenproducten zullen naar verwachting in 2015 worden gepresenteerd. Dit zouden elektronische apparaten van IBM, Nokia of Samsung kunnen zijn, bedrijven die zich haasten om er als eerste mee op de markt te komen. Als ze daarin slagen, zou dat een voorbeeld zijn van uitzonderlijk snelle implementatie van een belangrijke ontdekking in de markt.

Sterke materialen:

Titaniumlegeringen bestaan uit een mengsel van titanium en andere chemische elementen. Ze zijn sterk, licht van gewicht en bestand tegen corrosie en hoge temperaturen. Ze zijn duur om te maken, waardoor het gebruik ervan beperkt is. Ze zijn te vinden in vliegtuigen, sportwagens en militaire toepassingen, en worden tevens gebruikt voor tandheelkundige en orthopedische implantaten.

Monokristalmaterialen hebben een doorgaande, ononderbroken kristalstructuur zonder korrelgrenzen. De afwezigheid van onvolkomenheden geeft ze unieke eigenschappen. Ze worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders en in laservizieren van uiterst sterke materialen met weinig thermische kruip, zoals turbineschoepen.

Warmtebestendige superlegeringen, of HRSA, zijn gewoonlijk gebaseerd op nikkel, kobalt of nikkel-ijzer. Ze zijn sterk en kruipbestendig, hebben een goede oppervlakstabiliteit en zijn bestand tegen corrosie en oxidatie. Het zijn ook veeleisende materialen om te verwerken. Ze worden in verschillende onderdelen van vliegtuigmotoren toegepast, waaronder de compressor, het verbrandingssysteem en de turbine.

Grafeen is het dunste, sterkste en meest warmbestendige van alle hier genoemde materialen, maar het bevindt zich nog in het laboratoriumstadium. Het is een vorm van koolstof die is gemaakt van vlakke platen met een dikte van één atoom. De atomen zijn gerangschikt in een raster met de vorm van een honingraat. Allerlei branches hopen dat dit materiaal de prestaties van hun producten ingrijpend zal verbeteren..