Wondermateriaal van vuilniszakkenkwaliteit

Grafeen, een vliesdunne variant van koolstof, is sterker dan ijzer, flexibeler dan rubber, doorzichtiger dan glas, gasdicht en extreem licht. Elektronisch lijkt het een mirakel te kunnen worden. Alleen: hoe maak je er genoeg van?

DOOR MARTIJN VAN CALMTHOUT. FOTO'S ZAZA BERTRAND

Nanofysicus prof. Lieven Vandersypen van de Technische Universiteit Delft maakt er al antwoordend de karakteristieke handbewegingen bij. Hoe hij aan het grafeen komt voor de soms opmerkelijke experimenten in zijn lab? Via de ouderwetse methode vooral. Handwerk.

Dus: wat grafiet tussen twee plakbandjes, opentrekken, nogmaals dichtplakken, weer opentrekken, enzovoorts. Net zolang tot je kunt vermoeden dat ergens in de grijze vlekjes laagjes koolstof zitten van precies één atoom dun. En die er dan onder de microscoop tussenuit zoeken. Precies zoals Nobelprijswinnaars Andrei Geim en Kostya Novoselov dat in 2003 als eerste deden; in Science veroorzaakten ze er een jaar later een sensatie mee. 'We zijn nog naar Manchester geweest om het van ze te leren', zegt de Vlaams-Delftse hoogleraar, die programmaleider is voor het Nederlandse grafeenonderzoek van fysicafinancier FOM.

Vandersypen heeft het allemaal geen windeieren gelegd. Met de minuscule plakjes grafeen, met een doorsnee van misschien maar een paar micrometer, heeft hij al een aardige reeks spannende fysische experimenten kunnen doen. Daaruit komt, zoals ook gebeurt in talloze andere labs in de wereld, naar voren hoe onwaarschijnlijk spannend de eigenschappen van het tweedimensionale koolstof zijn. Het is sterker dan ijzer, flexibeler dan rubber, doorzichtiger dan glas, gasdicht en extreem licht. Het heeft elektrische eigenschappen van koper in één laag, en een halfgeleider als silicium in twee atoomlagen. De elektronen bewegen er bovendien sneller in dan in elk ander materiaal dat we kennen. En op een manier dat de relativiteitstheorie nodig is om ze goed te beschrijven.

De EU reserveerde eerder dit jaar in het Flagship-programma 1 miljard euro voor tien jaar Europees ontwikkelingsonderzoek aan grafeen - een kolossaal bedrag. Van het materiaal wordt dan ook een revolutie verwacht in alles van flinterdunne, supersnelle elektronica en flexibele mobieltjes tot geprinte, goedkope zonnecellen en nog tal van andere toepassingen.

Er is, zegt 15 kilometer ten noorden van Delft de Leidse hoogleraar oppervlaktefysica prof. Joost Frenken, maar één probleem met al die prachtige visioenen. Er gaapt een onvoorstelbare kloof tussen de fundamentele supereigenschappen van grafeen en serieuze toepassingen. 'Grafeen is bijna letterlijk van God gegeven, een materiaal van louter superlatieven, zoals Geim zegt. We weten alleen nog lang niet goed genoeg hoe we van micrometers naar centimeters en meer komen. Daar zit de grootste opdracht rond grafeen.'

Frenken voegt dezer dagen de daad bij het woord en begint met particuliere externe financiers een nieuwe Nederlandse onderneming, die met een eigen chemische methode grafeen voor de Nederlandse markt gaat produceren. Dit bedrijf, Applied Nano Layers bv in Den Haag, gaat zich niet toevallig vestigen in Nijmegen naast een spin-off van Philips, chipfabrikant NXP. Daar, verwacht Frenken, zit vraag naar kwalitatief goed grafeen.

Kippengaasstructuur

In Delft werkt ook oppervlaktefysicus prof. Guido Janssen met zijn team aan dat soort CVD-technieken - de afkorting staat voor chemical vapour deposition, chemische opdamping. Met succes, zegt hij. Maar details zijn nog geheim, er zitten publicaties aan te komen. In grote lijnen wordt in zijn lab een mengsel van methaan en waterstof bij meer dan 1.000 graden over dunne lagen koper geleid. Het methaan CH4 valt daarbij uiteen en koolstofatomen hechten zich in een superdunne kippengaasstructuur aan het koperoppervlak: grafeen. Als het daarvan kan worden afgepeld, voorspelt Janssen, dan is dat van traditionele plakbandkwaliteit, over behoorlijke oppervlakken.

Dat kan bijvoorbeeld bestemd zijn voor nano-collega Vandersypen, aan de overkant van de Mekelweg, voor diens fundamentele fysische research. Maar een post-doc van Janssen krijgt van de TU Delft ruimte om met de eigen technieken grafeen te gaan produceren, eventueel in de aanloop naar een commerciële onderneming.

CVD, zegt Janssen stellig, heeft de toekomst in de grafeenproductie. 'Het is relatief goedkoop en toch van hoge kwaliteit. Maar er is nog heel veel uit te zoeken. Liefst willen mensen morgen aan de slag met grafeen. Voor toepassingen waarin de kwaliteit niet zo hoog hoeft te zijn, kan dat al - zoals in elektronische inkt of koolstofversterkte kunststoffen. Maar elektronica of zonnecellen stellen meteen heel andere eisen.'

Een van de ongewisse punten, zegt hij, is de vraag hoe je neergeslagen grafeen voldoende ongeschonden vrijmaakt van de oppervlakken waar het op gegroeid is. Nu gebeurt dat experimenteel met polymeercoatings en het wegetsen van het koper, waarna het grafeen op bijvoorbeeld silicium wordt gestempeld.

In Leiden is hoogleraar en ondernemer in spe Frenken daarover gematigd optimistisch. Er is een glijdende schaal van kwaliteiten in grafeen, vertelt hij achter zijn bureau in het Kamerlingh Onnes Laboratorium. 'Het meeste spul dat je nu op de markt ziet, is nog behoorlijk vuilniszakkenkwaliteit. Het is verbrokkeld, met naden en lassen die de elektrische eigenschappen sterk verminderen.'

Maar ook daarvoor zijn al toepassingen te bedenken in de elektronica, zegt Frenken. In aanraakschermen, bijvoorbeeld, hoeft de elektrische geleiding in het vlak niet ideaal te zijn om ze te laten werken. Belangrijk is vooral dat het grafeen op elke individuele plaats een geleider is waarvan de eigenschappen capacitief worden beïnvloed door een vingertop die er vlak boven komt. Nu worden daarvoor microscopische chipstructuren van indiumtinoxide aangebracht onder het glas of de kunststof van het beeldscherm. Het Zuid-Koreaanse Samsung heeft de eerste prototypen met grafeen al getoond.

Markt

Naar schatting is de markt voor grafeen nog relatief klein, zo'n 9 miljoen dollar in 2012 (bijna 7 miljoen euro). In Europa komt opmerkelijk veel van het commercieel verkrijgbare grafeen van Spaanse leveranciers. Geen toeval, zegt woordvoerder Jesus de la Fuentes van de firma Graphenea in San Sebastian. 'Nanotechnologie is een bewust zwaartepunt van enkele onderzoeksinstituten. In grafeen is inmiddels een aantal kleine spin-offs ontstaan.'

Zijn bedrijf zegt grafeen te kunnen leveren in uiteenlopende kwaliteiten, aan serieuze bedrijven als Nokia, Philips, Airbus, Canon en Corning, vrijwel altijd voor research en prototyping. Een deel van het grafeen wordt gemaakt door het chemisch afpellen van grafiet. Dat wordt verkocht in oplossingen, zwarte drab in een soort olieachtige substanties. De rest, 50 duizend vierkante centimeter grafeen per jaar, wordt gemaakt met de CVD-neerslagtechnieken waarmee wereldwijd wordt geëxperimenteerd in labs als dat van Janssen in Delft, en Frenken in Leiden.

Graphenea, erkent De la Fuentes in San Sebastian, is partner in een van de twee Europese consortia van bedrijven en instellingen die in aanmerking komen voor een miljoenensubsidie van de EU. Details worden binnenkort bekendgemaakt.

Nederlandse partijen zitten daar niet bij, zegt Janssen enigszins teleurgesteld. 'Het vreemde feit doet zich voor dat ómdat Delft meedoet aan de EU Flagship Graphene wij niet nog afzonderlijk met een project voor grafeenproductie mogen inschrijven. Terwijl dat er naar mijn smaak toch al weinig in zit.'

Dat laatste klopt, erkent de coördinator van het miljardenproject van de Europese Unie, prof. Jari Karinet van de Chalmers Technische Universiteit in Gotenburg. 'Productietechnologie zit vooral in het reguliere onderzoeksbudget van de EU. In dat kader zijn net twee consortia geselecteerd, weet ik.'

Dat daar geen Nederlander bij is, is een bitter puntje, aldus EU-onderzoekscoördinator Melvin Kasanrokijat in Den Haag. 'Na de Nobelprijs voor Geim en Novoselov hebben we als Nederlanders gelobbyd, en daarbij hebben we nou net een serieuze inzet op grafeenproductie bepleit - juist omdat Europa zich daarin zou kunnen onderscheiden. Ik kan nog niet zeggen wie er wel aan de slag gaan, maar in ieder geval geen Nederlanders.' Hij bevestigt dat de Spanjaarden erbij zitten.

Grafeen, benadrukt hoogleraar Vandersypen, staat pas aan het begin van zijn mogelijkheden. 'Iedereen is er opgewonden over omdat het in één materiaal allerlei interessante eigenschappen verenigt. Maar dan heb je het steeds over vervanging, waarbij het natuurlijk de vraag is waarom je dat zou doen. In feite is het wachten op iets echt nieuws, iets waar niemand nog aan heeft gedacht maar dat je je over twintig jaar niet anders meer kunt voorstellen dan in grafeen.'

Ook zijn collega Guido Janssen is optimistisch. 'Er gebeurt nu zoveel, fundamenteel en toegepast. Iedere week verschijnen er iets van 120 papers over grafeen en andere monolayers. Alles is nieuw, alles is nieuws. Het is bijna ondenkbaar dat er niet iets opduikt dat werkelijk alles op zijn kop zet.'

Joost Frenken in Leiden - en binnenkort Nijmegen - heeft zo zijn eigen dromen. 'Als ik onder de microscoop kijk naar wat we nu kunnen maken, zie je een soort ijsschotsen van grafeen, waarvan de grenzen elektronisch een probleem vormen en ook de hoogteverschillen niet ideaal zijn. We zijn nog in Zwitserland, maar we dromen van zoiets als Holland: een strak biljartlaken van grafeen tot aan de horizon.'

undefined

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden