Koolstof heeft de toekomst. Materiaal-wetenschappers zien in de stof, die in zijn zuiverste vorm in de natuur voorkomt als grafiet en diamant, een grote potentie, bijvoorbeeld voor het vervaardigen van hoogwaardige materialen en moleculaire elektronica. Kunstmatig gevormde koolstofstruc-turen, waarvan de fysische en chemische eigenschappen door de onderzoekers gericht kunnen worden beïnvloed (zoals grafeen) zijn veelbelovend. Chemici van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg hebben een proces ontwikkeld, dat de productie van dergelijke koolstofkristallen in grote aantallen mogelijk maakt.
Diamant en grafiet tonen een aantal unieke fysische eigenschappen zoals hardheid, thermische en elektrische geleidbaarheid en wrijvingsgedrag. Deze zijn het gevolg van de wijze waarop de koolstofatomen zijn gerangschikt. Bij diamanten liggende atomen in een tetraëdrische bindingsgeometrie, terwijl in grafiet de atomen als een honingraat in vlakke lagen van zeshoeken op elkaar liggen. Splitst men een laag van deze grafietstructuur af, dan krijgt men een tweedimensionale structuur, grafeen.
In vergelijking met andere kristallen heeft grafeen bijzondere eigenschappen, waarvan wordt verwacht dat ze tot nieuwe ontwikkelingen in de micro- en nano-elektronica, sensortechniek en displaytechnologie zullen leiden.
Splitsen
Voorheen kon men grafeen alleen mechanisch in een aantal aparte stappen produceren, bijvoorbeeld door het gebruik van speciale zeep en ultrasoon geluid,. De onderzoekers uit Erlangen is het gelukt om op een chemische manier grafeenlagen van grafiet af te splitsen en in één volgende stap de eigenschappen van het nieuwe materiaal te veranderen.
Het probleem bij dit proces is, te voorkomen dat de zich afsplitste kristallen zich onmiddellijk weer binden aan het grafiet. Daarom verankeren de chemici mole-culen als afstandshouders aan het grafeen. Aan deze afstandshouders kunnen ze vervolgens weer moleculen laten hechten, die het grafeen specifieke fysische en chemische eigenschappen geven.
Met de ontwikkeling van het nieuwe chemische proces hebben de onderzoekers een cruciale stap gezet om grafeen in massa te produceren, wat een essentiële voorwaarde is voor industriële toepassingen.
Eigenschappen
Voor het synthetische materiaal bestaan veel toepassingen: transparante elektroden voor display- of zonneceltechnologie of sensoren met tot nog toe niet haalbare gevoeligheid, die zelfs aparte atomen kunnen opsporen. De honingraatstructuur van grafeen is duurzaam. Het materiaal vertoont in lengterichting in uitstekende trekvastheid, die meer dan honderd keer groter is dan van conventioneel staal en dat bij een massa van circa 1 g voor 1300 m² (de oppervlakte van een wedstrijdzwembad).
Een ander effect van de atomaire structuur betreft de ladingdragers zelf. Deze bewegen zich in het materiaal ongelooflijk snel, alsof ze geen massa hebben, wat voor computers kloksnelheden mogelijk zou maken die honderdmaal hoger zijn dan die van moderne siliciumtechnologie. De elektrische geleidbaarheid van de grafeenlagen verhindert nog effectieve schakelprocessen en daarmee de toepassing in moderne computerchips.
De werkgroep onderzoekt ook andere synthetische koolstofallotropen zoals eendimensionale nanobuisjes of zogeheten fullerenen. Dat zijn koolstofmole-culen, waarbij een bolvormig gesloten netwerk van koolstofatomen voorkomt dat door deze vorm ook wel voetbalmolecuul wordt genaamd.
