Grafeen is een nieuwe vorm (of allotroop) van koolstof die erg veelbelovend is in toepassingen. Het kan leiden tot betere en goedkopere zonnecellen of snellere transistoren en nog veel meer.

Chemische modificatie van grafeen

Koolstof vormt de basis van alle organische moleculen en is daardoor het belangrijkste element voor leven op onze planeet. Maar koolstof is ook de bouwsteen van interessante kristallen zoals diamant en grafiet. Het is dankzij de bijzondere elektronische structuur van koolstofatomen dat zij in staat zijn zo’n verscheidenheid aan moleculen en materialen voort te brengen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat koolstof een van de meest onderzochte elementen van de tabel van Mendelejev is. Toch blijft dit opmerkelijke element nog steeds verbazen: de voorbije decennia zijn er een hele reeks nieuwe koolstofallotropen (d.w.z., materialen die volledig uit koolstofatomen zijn opgebouwd) ontdekt zoals de bolvormige fullereenmoleculen en de langwerpige koolstof nanobuisjes. De meest recente allotroop werd in 2004 voor het eerst geïsoleerd en draagt de naam grafeen. Zoals de naam wellicht doet vermoeden is dit materiaal nauw verwant met grafiet. De gelaagde structuur van grafiet maakt het bijzonder geschikt om in potloden of smeermiddelen te verwerken. Wanneer nu een enkel laagje uit grafiet geïsoleerd wordt verkrijgt men een materiaal met werkelijk unieke eigenschappen dat grafeen wordt genoemd. Zo’n laagje is slechts één atoom dik en vormt dus in essentie een tweedimensionaal kristal.

De koolstofatomen in een grafeenlaag zijn geordend in een honigraatstructuur en het is deze bijzondere kristalstructuur die het materiaal zijn unieke elektronische eigenschappen verleent. De symmetrie van grafeen zorgt ervoor dat de ladingsdragers zich als massaloze deeltjes gedragen die met een constante snelheid van ongeveer 1000 km/s door het kristal bewegen. Dit zorgt ervoor dat grafeen een uitstekende elektrische geleider is die zelfs koper overtreft.

Grafeen is zo dun dat er ongeveer 3 miljoen laagjes in een stuk grafiet passen met een dikte van 1 mm. Daardoor is grafeen vrijwel volledig doorzichtig en vormt het een ideaal materiaal om transparante geleiders te maken voor allerlei toepassingen zoals LCD-schermen en touchscreens. Ondanks het feit dat grafeen zeer flexibel is, is het bovendien ook het sterkste gekende materiaal.

Meer futuristische ideeën die door grafeenonderzoekers naar voren zijn gebracht omvatten toepassingen van grafeen in de chipindustrie ter vervanging van silicium of het gebruik van grafeen als basis voor allerlei microsensors.

Voor deze laatste toepassingen is het echter noodzakelijk dat de eigenschappen van grafeen aangepast worden. Het is bijvoorbeeld noodzakelijk om grafeen in een halfgeleider te transformeren om uiterst snelle transistors te kunnen maken voor microchips. Dit kan men bereiken door andere atomen (zoals waterstofatomen) aan de koolstofatomen in grafeen te hechten. Voor microsensors op basis van grafeen maakt men gebruik van de veranderingen van de elektronische eigenschappen wanneer vreemde atomen of moleculen zich vasthechten aan het oppervlak van het grafeenkristal (chemische modificatie). Door de grote oppervlakte/volumeverhouding van grafeen kunnen minieme veranderingen in de omgeving gedetecteerd worden. Het is bijvoorbeeld mogelijk om de weerstandsverandering te meten ten gevolge van een enkele (NO2-) molecule die zich vasthecht aan het oppervlak.

Het aanpassen van de eigenschappen van grafeen door chemische modificatie is echter niet altijd eenvoudig te begrijpen: Wanneer men experimenteel veranderingen waarneemt bij gemodificeerd grafeen, weet men niet altijd hoe deze veranderingen veroorzaakt worden.

Daarom is het interessant om gebruik te maken van theoretische modellen om deze veranderingen te verklaren of te voorspellen. De veranderingen gebeuren echter op een atomaire schaal zodat er geen eenvoudige theoretische modellen mogelijk zijn. Het is noodzakelijk om kwantummechanische effecten mee in rekening te brengen en dit zorgt ervoor dat de simulaties zeer gecompliceerd worden. Om min of meer realistische systemen te simuleren zijn supercomputers vereist om de berekeningstijd binnen de perken te houden, maar zelfs met gebruik van supercomputers kunnen deze simulaties nog steeds enkele weken in beslag nemen. Hieronder worden enkele voorbeelden van reeds uitgevoerde simulaties beschreven.

Voorbeelden van simulaties

  • De invloed van geadsorbeerde moleculen op grafeen: Het proces waarbij moleculen zich aan het oppervlak van een 2D grafeenkristal hechten wordt adsorptie genoemd. Het is experimenteel zeer moeilijk te achterhalen wat nu juist de invloed van zo’n geadsorbeerde molecule is. Dit komt omdat men niet weet hoeveel geadsorbeerde moleculen er aanwezig zijn, waar ze zich juist vasthechten en of ze al dan niet over het grafeenoppervlak kunnen bewegen. Met behulp van computersimulaties worden dergelijke adsoptieprocessen aanzienlijk verhelderd zodat de invloed hiervan beter in rekening gebracht kan worden.
  • Geadsorbeerde waterclusters op grafeen: Wanneer er meerdere moleculen tegelijk geadsorbeerd zijn op grafeen bestaat de kans dat ze zich groeperen in zogenaamde moleculaire clusters. De invloed van zo’n cluster kan sterk verschillen van de som van de invloeden van de afzonderlijke (geïsoleerde) moleculen. Dit blijkt bijvoorbeeld het geval te zijn voor watermoleculen. Dit effect werd eerst ontdekt door simulaties en daarna experimenteel bevestigd.
  • Afgeleide grafeenmaterialen: Het is ook mogelijk om nieuwe materialen te maken op basis van grafeen. Een mogelijke manier is elk koolstofatoom met een ander atoom (zoals waterstof- of fluoratomen) binden. In dat geval wordt er i.p.v. een 2D grafietvariant een materiaal gevormd dat veel weg heeft van 2D diamant. Er zijn echter verschillende mogelijkheden om de vreemde atomen aan grafeen te binden en het is van tevoren niet meteen duidelijk welke mogelijkheden experimenteel gerealiseerd zullen worden. Door alle verschillende mogelijkheden te simuleren kunnen de meest waarschijnlijke structuren en hun eigenschappen gevonden worden en vervolgens worden vergeleken met experimentele data. Op die manier helpen supercomputers om gerichter dure en tijdrovende experimenten uit te voeren.
  • Doorlaatbaarheid van grafeenmembranen: De voorgaande simulaties zijn voorbeelden van statische systemen zodat ze gesimuleerd kunnen worden zonder enige tijdsafhankelijkheid in rekening te brengen. Het is echter ook mogelijk om tijdsafhankelijke systemen te simuleren, bijvoorbeeld om de doorlaatbaarheid van een grafeenmembraan te bestuderen. Grafeen is slechts één atoom dik en het is dus interessant om te onderzoeken hoe moeilijk het is voor atomen en moleculen om door de grafeenlaag te geraken. Dit kan bestudeerd worden door een systeem te simuleren waarbij een atoom (of molecule) met een bepaalde snelheid naar een grafeenmembraan geschoten wordt en zo de snelheid te bepalen die nodig is om er doorheen te komen. Uit dergelijke studies is gebleken dat grafeen volledig ondoorlaatbaar is zolang de snelheden niet zo hoog worden dat het grafeenkristal beschadigd geraakt. Experimenteel onderzoek had dit reeds voorspeld, maar er werd toen van uitgegaan dat het grafeenkristal geen defecten (zoals ontbrekende koolstofatomen) mocht bevatten om de ondoorlaatbaarheid te garanderen. Dit leidde tot de conclusie dat de experimentele grafeensamples perfect waren. Uit computationele simulaties bleek echter dat kleine defecten de doorlaatbaarheid niet zo sterk verminderen zodat deze conclusie niet gerechtvaardigd bleek te zijn.

Conclusie

De samenwerking tussen experiment en theoretische simulatie met behulp van supercomputers blijkt dikwijls zeer vruchtbaar te zijn: Experimentele gegevens kunnen verklaard of verhelderd worden en moeten in sommige gevallen ook bijgesteld worden nadat ze worden vergeleken met simulaties. De simulaties vullen echter de experimenten aan en kunnen echter niet in de plaats van de experimenten gesteld worden en dus blijft experimentele bevestiging nog steeds noodzakelijk. Het is echter wel mogelijk om op basis van computersimulaties meer gerichte experimenten uit te voeren zodat veel geld en tijd bespaard kunnen worden.

Links

  • Onderzoek in Vlaanderen
  • In 2010 ging de Nobelprijs voor de natuurkunde naar Andre Geim en Konstantin Novoselov voor hun baanbrekende experimenten met grafeen.
  • Toepassingen:
    • Ook in de micro-elektronica experimenteert men hard met grafeen. Het is een veelbelovend materiaal voor de productie van ultrasnelle transistoren, zie bijvoorbeeld dit artikel in IOP Physicsworld.
    • Grafeen kan ook gebruikt worden voor ultracondensatoren. Deze kunnen onder meer gebruikt worden om remenergie van voertuigen tijdelijk op te slaan en dan weer vrij te geven bij het accelereren, en zijn veel betrouwbaarder dan batterijen.Zie bijvoorbeeld dit artikel in IEEE Spectrum.

Met dank aan...

Deze pagina kwam tot stand met de hulp van de onderzoeksgroep CMT - theorie van de gecondenseerde materie van de Universiteit Antwerpen.