Grafeen was in 2010 nog goed voor de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Het wondermateriaal zou eindeloos veel toepassingen hebben. Maar de massaproductie blijft uit. Is grafeen toch niet het superspul waarop iedereen had gehoopt?

Voordat de Nobelprijs werd uitgereikt voor de ontdekking van grafeen, waren er al heel wat wetenschappers bezig de mogelijkheden van het materiaal te onderzoeken. De eerste metingen toonden aan dat dit heel dunne materiaal bijzondere elektronische eigenschappen heeft. Het blijkt honderd keer beter te geleiden dan silicium, dat we kennen uit computerchips. Grafeen is daarbij veel lichter dan lucht, een goede warmtegeleider én vrijwel transparant. Het is dus een ideale grondstof voor razendsnelle en superlichte elektronica.

Het bijzondere aan grafeen is dat het een dikte heeft van slechts één atoom en daardoor allerlei eigenaardige eigenschappen bezit. Het is het dunste materiaal ooit gemaakt, maar toch is het tweehonderd keer beter bestand tegen breken dan staal. Superdun en supersterk: toen grafeen in 2004 werd ontdekt leek het een gouden toekomst tegemoet te gaan.

Grafeen is in Manchester ontdekt door de Russen Andrei Geim (bijzonder hoogleraar aan de Radboud Universiteit) en Konstantin Novoselov (in Nijmegen gepromoveerd). Samen deden zij onderzoek naar elektronische schakelingen, opgebouwd uit zeer dun materiaal. Koolstof leek een geschikt materiaal, maar hoe maak je een hele dunne laag koolstof? De oplossing bleek oersimpel: potloodslijpsel en plakband. Potloodslijpsel bestaat uit grafiet, een 3D-structuur van grafeen, hetgeen neerkomt op meerdere lagen grafeen bovenop elkaar. Door grafiet tussen twee lagen plakband te doen en deze vervolgens weer van elkaar te halen, trek je de lagen grafiet uit elkaar. Herhaal dit een paar keer en het resultaat is een laag grafiet met een dikte van één koolstofatoom, ofwel grafeen.

Accu’s en filters
De ene na de andere publicatie volgde over mogelijke toepassingen. Door de goede geleiding van grafeen is het ideaal voor het gebruik in accu’s. De batterij van je smartphone gaat veel langer mee en binnen enkele minuten is je elektrische auto opgeladen.

Leg je enkele lagen op elkaar, dan kun je grafeen gebruiken als beeldscherm. Dat belooft wat voor de toekomstige televisies en smartphones: die van grafeen zijn straks zo dun dat je ze kunt oprollen. Ook voor ontwikkelingslanden kunnen de toepassingen van grafeen belangrijk zijn. Wat te denken van een filter van grafeen? Grafeen laat bijna niets door, behalve water. Met een paar lichte aanpassingen is uit grafeen een selectief membraan te maken dat zout uit zeewater kan filteren. Hiermee kan je snel veel drinkwater maken.

De vraag is kortom waarom het wondermateriaal nog altijd niet in grote hoeveelheden op de markt is. Ondanks de vele miljarden die zijn geïnvesteerd in het exploiteren van de productiecapaciteit van grafeen, wordt het nog niet wereldwijd toegepast.

Applied Nanolayers, het bedrijf in Nijmegen dat zich toelegt op grafeenproductie, is er nog niet in geslaagd het wondermateriaal in massaproductie te nemen. En dat terwijl directeur Paul Hedges ons twee jaar geleden nog verzekerde dat de eerste schijfjes binnen een jaar uit de machines zouden rollen.

Een platform waar het bedrijf met de Radboud Universiteit en firma NXP brainstormde over de mogelijkheden van grafeen, is inmiddels ontbonden. ‘We kwamen tot de conclusie dat het daarvoor nog te vroeg is’, zegt Steffen Wiedmann van de afdeling Semiconductors & Nanostructures van het lab voor hoge magneetvelden (HFML), die namens de universiteit in het platform zat.

Hobbel
De kwaliteit van het geproduceerde grafeen is vaak nog niet goed, verklaart Wiedmann de achterblijvende productie. ‘Bedrijven zullen pas echt gaan investeren als vaststaat dat we grote hoeveelheden van het materiaal kunnen maken van een constante, goede kwaliteit.’

Het blijkt bijzonder lastig om grafeen los te maken van het onderliggende materiaal waaraan het voor de productie moet binden, zonder daarbij het grafeen of de eigenschappen ervan te beschadigen. Er zijn verschillende onderlagen uitgeprobeerd. Aanvankelijk leek silicium de perfecte drager, tegenwoordig experimenteren producenten met koper. En er is nog een hobbel te nemen: het grafeen zo aanpassen dat het gebruikt kan worden in elektronica.

Het wondermateriaal krijgt inmiddels concurrentie van een berg andere stoffen, die zijn geïnspireerd op grafeen, maar misschien wel meer toekomst hebben. De extreem geleidende eigenschappen van grafeen zijn het gevolg van de structuur van het platte vlak, niet van het feit dat het uit koolstofatomen bestaat. Er wordt daarom nu ook onderzoek gedaan naar soortgelijke structuren van bijvoorbeeld fosforatomen. Dat materiaal vertoont dezelfde speciale geleiding als grafeen.

‘We zijn te optimistisch geweest’, stelt Wiedmann. En toch, hij is ervan overtuigd dat het materiaal wel degelijk een succes gaat worden. Over een jaar of tien. ‘De ervaring wijst uit dat het zo’n twintig jaar duurt voor een ontdekking leidt tot grootschalige productie. Dat hebben we ook gezien bij silicium, dat nu in alle computerchips zit. We moeten dus nog even geduld hebben.’ / Martin Rutten

Dit verhaal staat ook in Vox #3 die nu in de bakken ligt. Je kunt het nummer zoals altijd ook online lezen.