Grafeen zou het internet honderd keer sneller kunnen maken en een camerasensor duizend keer zo gevoelig. Het materiaal is extreem dun, vrijwel transparant, enorm buigzaam en veel sterker dan bijvoorbeeld staal. Maar wat is het precies en wanneer ga je het terugvinden in al je apparaten?

Grafeen wordt regelmatig een ‘wondermateriaal’ genoemd. Sinds wetenschappers Andre Geim en Kostantin Novoselov er in 2010 de Nobelprijs voor wonnen, is de interesse alleen maar groter geworden, zowel op academisch als commercieel gebied. Niet vreemd ook voor het dunste en tegelijkertijd sterkste materiaal ter wereld.

De lijst van bijzondere eigenschappen gaat verder: grafeen is een extreem goede geleider van elektriciteit en warmte, kan goed tegen hitte en is bijna ondoordringbaar. Ook heeft het een veel hogere elektrische mobiliteit dan silicium, wat het in theorie een superieure halfgeleider maakt. Het zegt eigenlijk al genoeg dat Samsung en Apple nu al vechten om grafeenpatenten.

Op de lange termijn zou het materiaal zelfs de hoofdrol die silicium inneemt binnen de technologische industrie kunnen overnemen. Mogelijk moet Silicon Valley dan worden omgedoopt tot Graphene Valley.

Voordat het zover is, hebben zowel de wetenschap als het bedrijfsleven nog enkele hindernissen te overwinnen. Grafeen is eerder complex dan magisch en sowieso nog grotendeels in nevelen gehuld. Of beter gezegd: in chemische dampen.

Een buisje met grafeen

Een buisje met grafeen

Wat is grafeen precies?

Grafeen is een materiaal dat volledig is opgebouwd uit het element koolstof, net zoals grafiet en diamant. In tegenstelling tot die materialen komt grafeen niet direct in de natuur voor, maar moet het geïsoleerd of gescheiden worden, bijvoorbeeld door een extreem dunne laag van grafiet af te halen.

Geim en Novoselov wisten in 2004 voor het eerst met enige betrouwbaarheid zo’n laagje te produceren. Dit deden zij met behulp van plakband. De twee wetenschappers haalden steeds meer van een stukje grafiet af, totdat er een laag overbleef die slechts één atoom dik was. Grafeen wordt daarom ook wel een tweedimensionaal materiaal genoemd.   

Een andere populaire methode is om methaangas, dat deels bestaat uit koolstof, te verhitten totdat het een laagje grafeen achterlaat op een substraat van nikkel of koper. Deze methode heet chemical vapor deposition (cvd) en geniet de voorkeur, omdat hiermee grotere oppervlakken van grafeen kunnen worden geproduceerd.

In april van dit jaar claimden Ierse onderzoekers nog een doorbraak via een andere, al bestaande methode. Zij voegden grafiet toe aan een vloeistof waarin het materiaal niet oplost en wisten door deze vloeistof hard rond te draaien afzonderlijke laagjes grafeen te scheiden. Deze stukjes grafeen vertoonden geen defecten en zouden dus geschikt zijn om op grote schaal te produceren.

Een enkele laag grafeen

Een enkele laag grafeen

Wanneer ga je grafeen terugzien?

De massaproductie van grafeen is momenteel de grootste uitdaging, aldus dr. Steffen Wiedmann van de Radboud Universiteit in Nijmegen. Volgens hem bevindt grafeen zich wat dat betreft nog in de beginfase, omdat grotere substraten (ook wel wafers genoemd) van het materiaal nog niet op betrouwbare wijze kunnen worden gecreëerd.

Het grote probleem, met name bij de cvd-methode, is niet het produceren van de lagen grafeen. Daar slagen wetenschappers en bedrijven, zoals Samsung, steeds beter in. Dr. Gary Steele van de Universiteit van Delft stelt zelfs dat de Zuid-Koreaanse fabrikant op dat gebied voorop loopt.

De moeilijkheid zit volgens Wiedmann in het scheidingsproces. Het zou nog altijd erg lastig zijn om een laag grafeen los te maken van het substraat zonder daarbij het materiaal of de eigenschappen daarvan te beschadigen. Producenten van grafeen, zoals het Europese Graphenea, zijn daarom op zoek naar betere manieren. Dit vereist vooral nog veel onderzoek, omdat niet alle eigenschappen van grafeen volgens het bedrijf al zijn beschreven of ontdekt, zoals hoe het precies met andere materialen reageert.

Massaproductie van grafeen zal daarom nog minimaal enkele jaren duren, denkt Steele. Met name bij het gebruik van grafeen als wafer voor chips is het van essentieel belang dat het materiaal betrouwbaar genoeg is. Zo niet, dan heeft dat grote gevolgen voor het zogeheten yield-percentage, het percentage chips dat werkend uit het productieproces komt.  

Grafeen is transparant en buigzaam

Grafeen is transparant en buigzaam

Waar kan grafeen voor gebruikt worden?

Zodra je die praktische problemen laat varen, komt de magie van grafeen weer bovendrijven. Het materiaal heeft dankzij zijn unieke eigenschappen een bijna oneindig aantal potentiële toepassingen.

Niet alleen zou het veel efficiëntere zonnecellen op kunnen leveren, maar grafeen kan ook als omhulsel voor medicijnen dienen of betere oplaadbare batterijen opleveren. Die maken momenteel nog gebruik van grafiet of silicium als anode, maar met grafeen zouden ze zowel een grotere capaciteit kunnen krijgen als sneller opladen.

De meest vreemde maar tegelijkertijd bijna vanzelfsprekende toepassing is in condooms. Als sterkste en dunste materiaal ter wereld kan dit de veiligheid en tegelijkertijd het plezier verhogen.

Toch zul je grafeen waarschijnlijk eerder terugvinden in je smartphone, als onderdeel van het display, of anders in je lcd-display of oled-tv. In dit soort schermen zit normaliter een dun laagje indiumtinoxide als zo doorzichtig mogelijke halfgeleider, maar dat is volgens onderzoeker Gary Steele te kostbaar en kwetsbaar.

Grafeen zou daarentegen zelfs in ruwe vorm al transparanter zijn en tegelijkertijd veel sterker. "Het grote probleem met metalen is dat ze licht absorberen. Bij Samsung willen ze dit broze materiaal vervangen door transparante elektrodes gemaakt van grafeen, wat transparanter en flexibeler is", aldus Steele. Het grootste voordeel is volgens Graphenea de kleine buigradius van grafeen, wat het materiaal nog buigzamer zou maken dan oprolbaar elektronisch papier.

Het bedrijf denkt daarom dat oprolbare smartphoneschermen en televisies het debuut voor grafeen vormt. LG en Samsung beloofden dit soort displays al eerder, maar de tot nu toe gepresenteerde prototypes kunnen slechts deels gebogen worden. Volgens Steele is Samsung echter al druk bezig om grafeen in zijn consumentenproducten te verwerken. LG beloofde in juli van dit jaar nog dat het in 2017 een oprolbaar scherm op de markt brengt.

Is grafeen echt zo bijzonder?

Zowel Steele als Wiedmann beamen dat grafeen enorm veel toepassingen heeft. De grootste drempel is het betrouwbaar produceren van het materiaal. Van onterechte beloftes is volgens hen slechts gedeeltelijk sprake. "Grafeen is zeker een onderwerp dat zich leent voor hyperbolen en een hoop beloftes (en misschien wel een hype)", zegt Steele per mail. "Desalniettemin liggen er zeker echte toepassingen in het verschiet waarbij de toffe eigenschappen van grafeen gebruikt zullen worden."

Nobelprijs-winnaar Novoselov bevestigde het vorig jaar al tijdens een presentatie over de voortgang van onderzoek naar grafeen: alle superlatieven over grafeen zijn simpelweg feitelijke eigenschappen en er worden nog altijd meer van dit soort kenmerken gevonden. Bovendien is met de ontdekking van grafeen een heel nieuw onderzoeksgebied geïsoleerd, dat van tweedimensionale materialen.

Het zijn daarom vooral de beschikbaarheid en betrouwbaarheid die grafeen nog in de weg staan. En geld. De gemiddelde prijs per vierkante centimeter ligt momenteel nog ver boven die van silicium. Volgens Graphenea kan het nog zo’n twee jaar duren voordat grafeen daar onder duikt, maar blijft het materiaal daarna goedkoper worden.  

Steele denkt ondertussen al verder en is de mechanische eigenschappen van grafeen gaan onderzoeken, in plaats van de elektrische. Hij ontdekte dat grafeen ook gebruikt kan worden als een soort werkgeheugen.

Dit door de laagjes op een bepaalde manier te laten bewegen en die data enkele milliseconden later weer uit te lezen. Wie weet krijgt grafeen zo ook een rol in toekomstige quantumcomputers. Het klinkt wederom magisch, maar aan de enorme potentie van het materiaal twijfelt niemand meer.