Vijftien jaar geleden was het ultradunne materiaal grafeen een hype. Er werden miljoenen in geïnvesteerd en er verschenen jaarlijks duizenden wetenschappelijke publicaties. Hoe staat het grafeenonderzoek er nu voor? Waar blijven de veelbelovende toepassingen, zoals oprolbare schermen en efficiëntere computerchips? „Grafeen was geen lege hype”, zegt de Leidse natuurkundige Sense Jan van der Molen. „Maar er is meer beloofd dan kan worden waargemaakt, zoals bij elke hype.”
Precies twintig jaar geleden pulkten natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov met plakband flinterdunne koolstofschilfertjes van een blok grafiet. Dit experiment was onderdeel van de speelse vrijdagavondproeven van Geim. Die schilfertjes bleken grafeen: ultradunne velletjes koolstof van slechts één atoomlaag dik met de zeshoekige structuur van kippengaas.
Het bestaan van grafeen was bekend. Natuurkundigen wisten ook dat grafiet – het materiaal van potloodpunten – is opgebouwd uit op elkaar gestapelde laagjes grafeen, als de kaarten van een kaartspel. Maar Geim en Novoselov waren in 2004 de eersten die de koolstofvelletjes op zo’n manier wisten los te peuteren dat ze het materiaal konden onderzoeken. Dat leverde ze in 2010 de Nobelprijs voor Natuurkunde op.
Toen het mogelijk bleek om een enkele laag grafeen te isoleren, zagen onderzoekers al snel de voorspelde bijzondere eigenschappen. Het is het dunste materiaal dat je kunt maken – dunner dan een enkele laag atomen kan niet. Daardoor is het transparant en licht, een vel grafeen ter grootte van een voelbalveld weegt minder dan een gram. Toch is het flexibel, sterker dan staal en is het zo dicht dat zelfs heliumgas er niet doorheen komt. Elektriciteit stroomt er net zo goed doorheen als door koper en het geleidt warmte beter dan enig ander materiaal.
Wereldwijde aandacht
De publicatie waarin Geim en Novoselov in 2004 hun vrijdagavondbevindingen presenteerden trok wereldwijd de aandacht. „De uitzonderlijke eigenschappen openden de deur naar zo veel nieuwe mogelijkheden dat een hele onderzoeksgemeenschap op grafeen dook”, zegt Sten Vollebregt, universitair hoofddocent aan de TU Delft. „Daarbij hielp het dat iedereen met een rol plakband en een stuk grafiet het zelf kon maken en onderzoeken in het lab.”
In eerste instantie was er vooral enthousiasme onder fundamentele wetenschappers omdat de bijzondere elektrische en magnetische eigenschappen nieuw natuurkundig onderzoek mogelijk maken, vertelt Sense Jan van der Molen, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit Leiden. „Elektronen gedragen zich in grafeen bijvoorbeeld alsof ze geen massa hebben en bewegen razendsnel door het materiaal. Daardoor kun je bepaalde quantumeffecten en zelfs de relativistische fysica van Einstein bestuderen.”
De uitzonderlijke eigenschappen van het wondermateriaal zorgden voor een snel groeiende lijst van mogelijke toepassingen en patenten: oprolbare schermen, betere computerchips, batterijen, zonnepanelen, lichtere vliegtuigen, filters voor waterontzilting, sensoren en sterke en warmtegeleidende composietmaterialen.
Het grafeenonderzoek is inmiddels twintig jaar oud, maar er liggen nog nauwelijks grafeenproducten in de winkel. Er zijn slechts een paar kleinschalige – niet zo hightech – toepassingen van het wondermateriaal, zoals een motorhelm met een stevige, warmte afvoerende grafeencoating, een koptelefoon die een betere geluidskwaliteit belooft dankzij grafeen en een extra licht en sterk padelracket. Ook is er grafeenverf, -inkt en -rubber met warmte geleiden of elektrische eigenschappen. Deze toepassingen zijn duur en hebben zich nog niet bewezen. Is de hype uitgedoofd?
Van schilfertjes naar vellen
Het onderzoek naar grafeen is zeker niet stilgevallen, maar de piek van ruim tien jaar geleden lijkt voorbij, zegt Peter Steeneken, hoogleraar toegepaste nanofysica aan de TU Delft. „Een deel van de industrie die erop sprong, heeft zich inmiddels weer teruggetrokken”, vertelt hij. „Men was destijds erg optimistisch over hoe snel grafeen naar de markt gebracht zou kunnen worden. Dit optimisme is een gebruikelijk fenomeen bij nieuwe technologische doorbraken – het wordt ook wel de peak of inflated expectations genoemd”, de piek van opgeblazen verwachtingen.
De lange ontwikkeltijd heeft vooral te maken met een praktisch probleem: hoe maak je meer dan een paar schilfertjes hoogwaardig grafeen? Als je het wilt gebruiken voor zonnepanelen of oprolbare computerschermen, dan heb je vellen grafeen nodig van meerdere vierkante decimeters of vierkante meters. En voor toepassingen in de elektronica moet je op een betrouwbare en snelle manier grafeen kunnen maken, waarbij de koolstofatomen over het hele oppervlak keurig in het gelid staan, vertelt Richard van Rijn, oprichter en technisch directeur van het Nederlandse grafeenbedrijf Applied Nanolayers. „Dat lukt niet met een rol plakband en een blok grafiet.”
De afgelopen jaren zijn er andere productiemethoden ontwikkeld. Applied Nanolayers maakt grafeen door een koolstofhoudend gas te verhitten boven een oppervlak. De koolstofatomen komen dan vrij uit het gas en vormen – bij de juiste temperatuur en het juiste oppervlaktemateriaal – een grafeenlaag op die ondergrond. Van Rijn: „Op die manier laten we een laag grafeen groeien op een wafer – een ronde plaat – van 20 centimeter.”
Het is daarbij de kunst om ervoor te zorgen dat alle stukjes grafeen netjes naast elkaar liggen, zodat het resultaat er niet uitziet als een rommelige lappendeken, zegt Van Rijn. Als dat gelukt is, dan kan het bedrijf die laag sinds kort van de wafer afpellen en verplaatsen, zonder dat het materiaal daarbij verfrommelt of kapot gaat.
Hoewel het trager ging dan verwacht, zijn er sinds 2004 wel „gigantische stappen” gezet in het grafeenonderzoek, zegt Steeneken. „We begrijpen de eigenschappen en mogelijkheden van grafeen beter en we zijn het plakbandstadium voorbij.” Bedrijven zoals Applied Nanolayers leveren nu materialen aan universiteiten, onderzoeksinstituten en onderzoeksafdelingen van bedrijven.
De productiemethoden moeten volgens Steeneken nog wel volwassener worden voordat grafeen gebruikt kan worden in commerciële hightechtoepassingen. „Er zijn grote vorderingen gemaakt, maar er moeten nog meer grote stappen gezet worden voordat het materiaal in je smartphone zit. Die ontwikkelingen zullen nog zeker tien tot twintig jaar duren.”
Volgens de Delftse onderzoekers zorgt de gestage vooruitgang ervoor dat de interesse bij de industrie ook langzaam terugkomt. Daarbij wordt minder hoog van de toren geblazen dan tijdens de eerste hype. De beloftes over droomtoepassingen zijn teruggeschroefd en er wordt meer gekeken naar kleinschaliger, realistische nichetoepassingen. „Nu het vakgebied wat volwassener is geworden weten we beter wat er wel en niet kan met grafeen”, zegt Vollebregt. „En alleen de onderzoeksgroepen en bedrijven die er serieus aan werken, zijn overgebleven.”
Wat betekent dit voor de lijst met veelbelovende hightechtoepassingen? De meeste voorstellen zijn geen sciencefiction, al duurt het langer dan gehoopt voordat ze op de markt zijn. En voor een paar toepassingen bleek grafeen toch niet het ideale materiaal. Een voorbeeld zijn de zonnepanelen, touchscreens en oprolbare schermen. Het ultradunne, transparante en elektriciteit geleidende grafeen leek daar perfect voor. Maar het blijkt niet (of nog niet) te kunnen concurreren met het materiaal dat hier nu voor gebruikt wordt: indiumtinoxide. „Grafeen is op zijn best even goed als indiumtinoxide en nog wel veel duurder”, zegt Vollebregt. „Misschien dat het in de toekomst goedkoper wordt of toch geschikter blijkt voor bepaalde toepassingen, zoals vouwbare elektronica, omdat grafeen flexibeler is.”
De ideale opvolger
Een andere veelgenoemde toepassing waar nu minder aandacht voor is dan tien jaar geleden, is grafeen als transistor. Transistoren zijn minuscule elektronische schakelaartjes die de basis vormen van computerchips. Ze zijn nu gemaakt van het halfgeleidermateriaal silicium. Grafeen leek de ideale opvolger. Elektronen bewegen razendsnel door het wondermateriaal, warmte wordt gemakkelijk afgevoerd en omdat het flinterdun is, zou je kleinere transistoren kunnen maken waardoor er meer op een chip passen. „Daardoor zou je goedkopere en snellere chips krijgen die ook nog minder energie gebruiken”, zegt Steeneken. Maar grafeen heeft een groot nadeel: het kan niet uit en zou dus een schakelaartje opleveren dat altijd aan staat. Dat is vrijwel nutteloos. Steeneken: „Er zijn trucs waarmee je grafeen wel kunt uitzetten, maar in de meeste gevallen verlies je dan een aantal van de mooie eigenschappen.”
Welke toepassingen van grafeen kunnen we wel binnenkort op de markt verwachten? Volgens Van Rijn zijn dat waarschijnlijk meer nichetoepassingen, zoals sensoren en fotonica, waarbij chips werken met licht in plaats van elektronen. „Je kunt met grafeen licht razendsnel sturen en detecteren”, vertelt hij. „Grafeen kan ook een goede gas-, bio- of druksensor zijn.” Omdat het zo dun is, is het namelijk heel gevoelig voor kleine krachten die erop werken en je kunt het materiaal eenvoudig aanpassen zodat het op verschillende stoffen of krachten reageert. „De sensorontwikkelingen gaan nu snel”, zegt Van Rijn. „Ik denk dat er over twee tot drie jaar grafeensensoren op de markt zijn.”
Bloeiend vakgebied
Er is een sector waar grafeen al bijna twintig jaar een bloeiend vakgebied is: de fundamentele wetenschap. „Wetenschappelijk gezien vind ik de hype terecht”, zegt Sense Jan van der Molen. „Ik vind het nog steeds een bijzonder en verrassend materiaal. Als ik er college over geef, merk ik aan de studenten dat ze dat ook vinden. Binnen de wetenschap en toepassingen binnen de wetenschap vindt grafeen zijn weg.”
Onderzoekers gebruiken grafeen bijvoorbeeld om het quantumgedrag van elektronen in het materiaal te onderzoeken. Dat leverde interessante natuurkundige ontdekkingen op. Zo lukte het fysici onlangs voor het eerst om met twee grafeenlaagjes een zogenoemd Wigner-kristal te maken, waarvan het bestaan in 1934 voorspeld werd. Dat is een kristalstructuur die niet uit atomen, maar volledig uit elektronen bestaat. En een paar jaar geleden bleek dat als je twee grafeenvelletjes op de juiste manier op elkaar legt, dat het geheel dan supergeleidend wordt. De elektrische weerstand in het materiaal verdwijnt dan volledig en elektriciteit stroomt er ongehinderd doorheen.
Bovendien heeft grafeen als ultradun en geleidend materiaal een aantal nuttige toepassingen in de wetenschap, zoals in de microscopie. „Je kunt grafeen bijvoorbeeld gebruiken om piepkleine vloeistofcelletjes af te sluiten”, vertelt Van der Molen. „Omdat grafeen zo dun is, zal dit de microscoopwaarnemingen niet verstoren. Dat is geen toepassing die miljarden oplevert, zoals oprolbare schermen, maar het maakt wel nieuw onderzoek mogelijk.”
Het vakgebied dat begon met grafeen is inmiddels breder. Er blijken namelijk meer ultradunne materialen te bestaan. „Er zijn honderden tweedimensionale materialen ontdekt van één of hooguit een paar atoomlagen dik”, vertelt Vollebregt. „Elk hebben ze bijzondere eigenschappen, wat de deur opent naar allerlei nieuwe mogelijkheden.” Er zitten bijvoorbeeld materialen bij die – in tegenstelling tot grafeen – wel geschikt zijn als transistor voor computerchips. „Die materialen staan op de agenda bij grote chipbedrijven zoals Intel, Samsung en TSMC”, vertelt Steeneken.
Wat deze nieuwe hype verder aanwakkert, is de mogelijkheid om verschillende tweedimensionale materialen op elkaar te stapelen – als legoblokje – om de bijzondere eigenschappen te combineren. Je kunt dan bijvoorbeeld een halfgeleiderlaagje gebruiken dat werkt als transistor en die combineren met een grafeenlaagje dat de warmte afvoert, zodat je computer niet te heet wordt.
„Uiteindelijk zouden we tweedimensionale materialen zo kunnen gaan stapelen dat we een soort superdun sandwichmateriaal hebben dat geoptimaliseerd is voor een specifieke toepassing, zoals snelle en energiezuinige computerchips”, zegt Vollebregt. Dat soort designermaterialen zijn nu nog toekomstmuziek. De tweedimensionale materialen en de stapeltechniek moeten eerst verder ontwikkeld worden.
Dit wekt de indruk dat de grafeenhype langzaam wordt overgenomen door de hype van de tweedimensionale materialen. Die hype wakkerde Nobelprijswinnaar Andre Geim vorig jaar aan in een interview met het BBC Radio 4 programma The Life Scientific: „De mensheid heeft in diens vooruitgang telkens gebruikgemaakt van verschillende materialen – denk maar aan de steentijd, bronstijd, ijzertijd en nu leven we in het tijdperk van silicium en plastic. Ik denk dat er aanwijzingen zijn dat we aan de vooravond staan van het tijdperk van tweedimensionale materialen.” Hij voegde eraan toe dat hij misschien overdreef, maar dat zou de komende dertig tot vijftig jaar dan wel duidelijk worden.
