Grafeen is sterker dan staal, dunner dan papier en zou wel eens de toekomst van technologie kunnen zijn.

Op school heb je waarschijnlijk geleerd dat koolstof in twee fundamentele maar zeer verschillende vormen (of allotropen) voorkomt. Namelijk grafiet (het zachte, zwarte spul met potloden) en diamant (de superharde, sprankelende sieraden). Het verbazingwekkende is dat deze twee totaal verschillende materialen uit identieke koolstofatomen bestaan. Waarom is grafiet anders dan diamant? Omdat de atomen in de twee materialen anders zijn gerangschikt. Daarom zijn de twee allotropen totaal verschillend: grafiet is zwart, mat en relatief zacht. En diamant is transparant en het hardste natuurlijke materiaal dat de meeste mensen kennen.

De meeste mensen hebben dat op school geleerd. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers echter verschillende andere soorten koolstof ontdekt met nog interessantere eigenschappen. Er zijn fullerenen (ontdekt in 1985), nanobuisjes (ontdekt in 1991) en …… .. grafeen (ontdekt in 2004).

Dus, wat is grafeen precies?

Veel vaste materialen die we allemaal kennen (inclusief de meeste metalen) hebben een zogenaamd kristalrooster. Dit zijn vele atomen die zijn gerangschikt in een regelmatige, eindeloos herhalende driedimensionale structuur. Een beetje zoals een nucleair klimrek. Alleen in plaats van staven zijn er onzichtbare banden tussen de atomen die ze bij elkaar houden. Diamant en grafiet hebben beide een driedimensionale structuur. Ze zijn echter totaal verschillend: bij diamant zijn de atomen nauw met elkaar verbonden in driedimensionale tetraëders. En in grafiet zijn atomen stevig verbonden in tweedimensionale lagen, die worden vastgehouden door relatief zwakke krachten op de lagen erboven en eronder.

Grafeen is een enkele laag grafiet. Het bijzondere eraan is dat de kristallijnstructuur tweedimensionaal is. Dit betekent dat de atomen in grafeen plat liggen. Denk aan poolballen op een tafel en je snapt het idee. Net als bij grafiet bestaat elke laag grafiet uit hexagonale "ringen" van koolstof. Omdat deze lagen maar één atoom hoog zijn, heb je een stapel van ongeveer drie miljoen van deze lagen nodig om grafeen 1 mm dik te maken!

Grafeen of grafenen?

Mensen spreken van "grafeen" zoals ze spreken van "plastic". Maar er zijn veel verschillende soorten op grafeen gebaseerde materialen (net zoals er veel verschillende soorten kunststoffen zijn), die allemaal iets anders zijn en verschillende rollen vervullen. We kennen het materiaal meestal alleen als een grafiek. Maar het woord grafeen zal later waarschijnlijk bekend staan als een zeer breed scala aan verschillende materialen. Misschien zal het ooit de gewoonte zijn om over ‘grafenen’ te praten, zoals we het nu hebben over ‘plastics’

Hoe is Grafeen?

We horen niet vaak over nieuwe materialen. Misschien omdat de meeste niet zo interessant zijn. Grafeen werd voor het eerst ontdekt in 2004. En wetenschappers raakten er erg enthousiast over. Dit is waarom: het is supersterk en stijf, verbazingwekkend dun, bijna volledig transparant, extreem licht en een geweldige geleider van elektriciteit en warmte. Vooral dat laatste is de reden waarom u met New More vloer- en verwarmingsproducten krijgt: meer warmte, minder elektriciteitsverbruik. Meer weten?

Algemene eigenschappen

Grafeen is een zeer zuivere stof. Vooral vanwege zijn eenvoudige, geordende atomaire structuur. Koolstof is geen metaal, dus je kunt verwachten dat grafeen hetzelfde is. In werkelijkheid gedraagt het zich echter veel meer als een metaal. Sommige onderzoekers beschrijven het als een halfmetaal. Wie weet? Wat we wel weten, is dat grafeen buitengewone eigenschappen heeft, en misschien zelfs uniek is.

Sterkte en stijfheid

Iedereen die wel eens een potlood heeft gebruikt, weet dat grafiet heel, heel zacht is. Dit komt doordat de koolstoflagen in het grafiet heel gemakkelijk afschaven. De atomen in deze koolstoflagen zijn echter zeer stevig gebonden. Dit maakt grafeen supersterk. Zelfs sterker dan diamant! Grafeen is het sterkste materiaal dat tot nu toe is ontdekt. Ongeveer 200 keer sterker dan staal. Maar vreemd genoeg is het zowel stijf als elastisch. Je kunt het uitrekken tot 20-25% van de oorspronkelijke lengte zonder te breken.

Dunheid en lichtheid

Iets dat maar een atoom dik is, is natuurlijk vrij licht. Maar grafeen is zo licht dat als je een voetbalveld zou bedekken met een vel van grafeen. Het vel minder dan een gram zou zijn, helaas heeft nog niemand het geprobeerd.

Warmtegeleiding

Super sterk en ultra licht zijn niet het einde van de speciale vaardigheden. Grafeen geleidt warmte beter dan enig ander materiaal. Veel beter zelfs dan koper. Dit maakt onze verwarmingsproducten zeer snel, efficiënt, sterk en licht.

Elektrische geleidbaarheid

Materialen die warmte en elektriciteit geleiden, gebruiken hiervoor elektronen. De platte, zeshoekige structuur van grafeen biedt minder weerstand tegen elektronen dan andere materialen. Koper komt niet eens in de buurt. Het enige dat in de buurt komt, is een supergeleider. Deze worden echter erg heet en moeten worden gekoeld. De opmerkelijke geleidbaarheid van grafeen werkt zelfs bij kamertemperatuur. Wetenschappelijk gezien: de elektronen in grafeen hebben een langere vrije baan dan in enig ander materiaal. Stel je een sterk, lichtgewicht en relatief goedkoop materiaal voor dat elektriciteit kan geleiden met sterk verminderde energieverliezen. Het kan worden gebruikt voor bijvoorbeeld energieopwekking en transport. Of gewoon om een langere batterijduur voor je telefoon te krijgen.

Eindeloze mogelijkheden

Elektrische geleidbaarheid heeft alles te maken met het verplaatsen van elektronen van de ene plaats naar de andere. Het manipuleren van deze elektronenstroom is waar het bij elektronica om draait. Nogmaals, de elektronische eigenschappen van grafeen zijn erg ongebruikelijk. Elektronen kunnen er snel in bewegen, waardoor computerchips sneller (en met minder elektriciteit) kunnen werken. Met grafeen zelfs bij snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Dit betekent dat ze zich gedragen volgens zowel de relativiteitstheorieën als de kwantummechanica. Dus grafeen kan worden gebruikt om aspecten van deze theorieën te testen. In plaats van dure deeltjesversnellers of grote, krachtige ruimtetelescopen te gebruiken.