Wat is grafeen?

Er zijn maar weinig materialen die worden aangeprezen als supermaterialen, om als zodanig te worden herkend, heb je een aantal behoorlijk opmerkelijke eigenschappen nodig. Grafeen is een relatief recent ontdekt materiaal dat een aantal interessante eigenschappen heeft, zoals hoe sterk en licht het is. Wetenschappers en onderzoekers zijn hard aan het werk om nieuwe technieken te onderzoeken om grafeen te produceren en mogelijke toepassingen ervan te onderzoeken.

Grafeen is een door de mens gemaakte allotroop, of vorm, van koolstof. Het bestaat uit een zeshoekige structuur zoals in grafiet, maar het is een plaat van slechts één atoom dik waardoor het extreem licht is. Technisch gezien worden meerlaagse platen tot ongeveer 30 lagen nog grafeen genoemd, waarna het dan grafiet wordt genoemd.

In de hexagonale structuur die grafeen gebruikt, vormen drie van de vier beschikbare elektronen sterke sigma-bindingen met drie andere koolstofatomen. Het uiteindelijk beschikbare elektron is vrij om over de hele plaat grafeen te reizen. Het vrije elektron per koolstofatoom maakt grafeen elektrisch geleidend, en onderzoek heeft aangetoond dat het meer geleidend kan zijn dan koper. De drie sterke bindingen maken grafeen zo moeilijk te breken dat als je een even dikke staalplaat zou maken, het grafeen 100 keer sterker zou zijn dan het sterkste staal.

Slechts 2,3% van het optisch licht wordt geabsorbeerd, waardoor grafeen bijna transparant lijkt, dit komt voornamelijk doordat het maar één atoom dik is.

De gecombineerde kracht, het gewicht en de transparantie van grafeen werd geïllustreerd in de Nobelprijs die de twee baanbrekende onderzoekers in 2010 ontvingen. Een vel grafeen van één vierkante meter, als het tot een hangmat zou worden verwerkt, zou een kat van 4 kg kunnen dragen, terwijl het bijna volledig transparant is en slechts 0,77 milligram weegt als een van de snorharen van de kat.

Onderzoek naar grafeen wordt uitgevoerd in veel verschillende vakgebieden, zoals geneeskunde, elektronica en milieu. Een van de belangrijkste beperkende factoren voor commerciële toepassingen zijn historisch gezien de kosten. In het decennium sinds het voor het eerst werd gemaakt, zijn de kosten voor het maken van grafeen echter aanzienlijk gedaald, wat betekent dat commerciële toepassingen beginnen te verschijnen.

Een van de belangrijkste industrieën waar consumenten ooit zullen zien dat grafeen het verschil gaat maken, zijn batterijen. Onderzoek heeft aangetoond dat grafeen grote hoeveelheden stroom kan opslaan in kleinere en lichtere verpakkingen dan de huidige lithiumbatterijen die in een paar minuten in plaats van uren kunnen worden opgeladen. Grafeenbatterijen zullen waarschijnlijk ook flexibel zijn, waardoor ze gemakkelijk in verschillende vormen kunnen worden gerold of gevormd.