Ruim tien jaar geleden was het materiaal grafeen hot. Er werden miljoenen uitgetrokken voor onderzoek en binnen afzienbare tijd zouden computers, beeldschermen en zonnepanelen gebruikmaken van het platte ‘wondermateriaal’. Maar waar zijn die toepassingen nu?
Vroeg je een natuurkundige in het jaar 2011 naar zijn of haar lievelingsmateriaal dan was de kans groot dat hij ‘grafeen’ antwoordde. Een jaar eerder ontvingen Andre Geim en Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor Natuurkunde voor onderzoek aan dit ‘moleculaire kippengaas’. Deze wetenschappers – eerder verbonden aan de Radboud Universiteit – hadden in 2004 een manier gevonden om het flinterdunne materiaal te isoleren. Ze inspecteerden het als een van de eersten.
Zij, en ook andere wetenschappers, ontdekten al snel dat grafeen bijzonder is. Het materiaal is slechts één atoomlaag dun en bestaat uit koolstofatomen die in een zeshoekig patroon aan elkaar verbonden zijn. Grafeen is niet alleen erg sterk, maar is ook een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit. Bovendien is het vrijwel transparant en flexibel. Dat maakte het in eerste instantie met name een natuurkundige curiositeit, zeker omdat wetenschappers eerder vermoedden dat zo’n dun materiaal helemaal niet kón bestaan. Maar al snel na de eerste onderzoeken verscheen er ook een snel groeiende lijst toepassingen van grafeen, volgens sommigen een waar ‘wondermateriaal’.
Populairwetenschappelijke media (waaronder NEMO Kennislink) publiceerden rond 2011 het ene na het andere artikel over de beloftes van grafeen. Binnen afzienbare tijd zouden we het ultraplatte materiaal terugvinden in elektronica, batterijen, lampen, beeldschermen, zonnepanelen, sensoren, katalysatoren, inkt en composietmaterialen. Maar wat is er ruim tien jaar later nog over van dit beloofde technologische walhalla?
Grafeen bestaat uit een enkele laag van koolstofatomen, aan elkaar verbonden in een zeshoekig patroon. Het feit dat grafiet (waar een potloodpunt van gemaakt is) bestaat uit dunne lagen koolstof (grafeen) werd al in de 19e eeuw gezien. Pas aan het begin van deze eeuw kwam het wetenschappelijke onderzoek naar grafeen in een stroomversnelling.
AlexanderAlUS via CC BY-SA 3.0Hype is voorbij
Volgens Sten Vollebregt, universitair hoofddocent Electronic Components, Technology and Materials van de Technische Universiteit Delft ligt de grafeen-hype achter ons. “Het is nog volop onderwerp van onderzoek, maar de tijd dat wetenschappers allerlei beloften deden over wat je allemaal wel niet kon doen met grafeen is voorbij. In feite zijn alleen de onderzoeksgroepen die serieus grafeenonderzoek doen nu nog over, en dat is goed”, zegt hij. Als voorbeeld van een onwaarschijnlijke (maar wel vaak genoemde) toepassing van het materiaal noemt hij transistoren van grafeen, ofwel minuscule elektronische schakelingen die de basis vormen voor onze elektronica. “Transistoren zijn nu gemaakt van het halfgeleidende materiaal silicium. Ook grafeen is een bepaald type halfgeleider, maar eentje die je in feite niet kunt uitzetten. Voor een schakelaar is het daarom ongeschikt, het is in dit opzicht een tamelijk slechte vervanger van silicium.”
De storm rondom grafeen leidde in 2013 op initiatief van de Europese Commissie tot de start van een kolossaal onderzoeksproject. Er kwam een pot met een half miljard euro aan Europees geld dat nationale wetenschapsfinanciers zouden aanvullen tot een miljard euro. Uiteindelijk is er volgens Vollebregt niet zoveel geld bij elkaar gebracht, maar het grafeenproject vierde dit jaar wel zijn tienjarig bestaan. Naar eigen zeggen telt het project nu bijna 5000 gepubliceerde onderzoeken en bijna 350 patenten. Het project loopt nog steeds.
Amper toepassingen
Leuk, al dat onderzoek, maar nog stééds liggen er geen computers of zonnepanelen van grafeen in de schappen. Welke toepassingen zíjn dichtbij de markt? Al vaker verschenen er (buigbare) displays op basis van grafeen, maar ze zitten niet in commerciële modellen. Beeldschermen en zonnepanelen met grafeen zijn volgens Vollebregt niet erg kansrijk. Daarvoor wordt nu geleidend en transparant indiumtinoxide gebruikt. “Ik denk eigenlijk dat die bestaande materialen al te goed zijn”, zegt hij.
Vollebregt denkt zelf eerder aan sensoren die een infraroodsignaal omzetten in een elektrische stroom. Deze componenten kunnen een belangrijke rol spelen in bijvoorbeeld datacentra, de grote knooppunten van het internet waar onze berichten doorheen gaan en die onze foto’s en video’s opslaan. “Een aantal start-ups ontwikkelen dit soort sensoren en groeien hard”, zegt Vollebregt. “Ik denk dat ze binnen vijf jaar op de markt zijn.”
Zelf werkt Vollebregt aan andere soorten sensoren op basis van grafeen. Zo kun je het materiaal als een soort trommelvlies opspannen en gebruiken als een extreem kleine en gevoelige microfoon. Hoewel het fundamenteel onderzoek is, kijken de Delftse onderzoekers of de processen die ze gebruiken straks geschikt zijn voor productie op industriële schaal. Vooralsnog vormt dit een drempel voor grafeentoepassingen. Vollebregt schetst de uitdaging van het werken met grote ‘plakken’ grafeen. “Stel, je laag grafeen is dertig centimeter in diameter en één koolstofatoom dik. Dat kun je vergelijken met een vel papier met een diameter van zeventig kilometer. Je kunt je voorstellen dat het een uitdaging is om dit op te pakken en te manipuleren zonder dat het scheurt.”
Schoenen met grafeen
Het maken van grafeen op grote schaal met voldoende kwaliteit en zuiverheid blijkt nog altijd een uitdaging. En momenteel is er nog niemand rijk geworden van grafeen. Wat de toepassing van grafeen kan helpen is volgens de schrijvers van een commentaar in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Materials een killer app, ofwel een toepassing waar niemand omheen kan. Vollebregt is het daarmee eens: “Als je kunt laten zien dat er een grote markt is en de industrie raakt geïnteresseerd, dan duiken de investeerders erop. Daarmee komt zo’n toepassing snel dichterbij”, zegt hij. “Toch heb ik de indruk dat die industrie nu afwacht en eerst wil weten of grafeen wel beter is dan de bestaande alternatieven.”
Maar wacht, er is nog een toepassing waar we het niet over gehad hebben. In 2018 kondigde het bedrijf inov-8 samen met onderzoekers van de Universiteit van Manchester ‘‘s werelds eerste schoen die gebruikmaakt van grafeen’ aan, ‘het sterkste materiaal op de planeet’. Vollebregt zegt dat grafeen inderdaad zijn weg heeft gevonden naar composietmaterialen. “Wat het nut van grafeen in een sportschoen is moet je niet aan mij vragen, maar ik ben extreem sceptisch. Wel kan grafeen mogelijk een toepassing krijgen in sterke en lichtgewicht materialen voor bijvoorbeeld vliegtuigen”, zegt hij.
Vollebregt hoopt niet dat die schoenen uiteindelijk het eerste en laatste grafeenproduct zijn. “Zoiets hebben we eerder gezien met zogenoemde nanobuisjes (in feite ‘opgerolde’ stukken grafeen – red.)”, zegt hij. “Dat was ook een enorme hype die uiteindelijk leidde tot onder andere tennisrackets gemaakt van materiaal met nanobuisjes. Een paar jaar later waren die rackets niet meer te koop en was er eigenlijk geen enkele toepassing meer. Zo’n zelfde lot voor grafeen zou erg zonde zijn. Ik denk dat er veel meer uit te halen is dan dat.”
