Licht grafeen kan toch een zwaargewicht worden

Koolstof | De praktische toepassing van wondermateriaal grafeen is een stuk dichterbij dankzij computersimulaties van onderzoekers van MIT.

Lichter dan lucht gaat net niet lukken, maar je kunt uit koolstof een materiaal maken dat in die buurt komt en toch tien keer sterker is dan staal. Het carbonframe waarop de wielrenner nu rondrijdt is daarbij een zwaargewicht.

Dat blijkt uit ingenieus werk van onderzoekers aan het Massachussets Institute of Technology (MIT) in de VS, dat vandaag wordt gepubliceerd in vakblad Science Advances. Onderwerp van dat onderzoek is grafeen, een stof die de wereld van fysici en materiaalonderzoekers al meer dan tien jaar in opperste staat van opwinding houdt.

Grafeen is koolstof in kristalvorm, een soort honingraat van koolstofatomen. Een oogstrelend simpel materiaal, dat fysici wel kenden, maar tot voor kort nooit in handen hadden gehad. Dat komt doordat grafeen een honingraat is die zich wel lang en breed kan zijn, maar slechts één koolstofatoom dik.

De stof komt voor in je potloodpunt, in de vorm van grafiet, en maakt dat je daarmee kunt schrijven. Maar pas in 2004 lukte het Andre Geim, toen werkzaam aan de Radboud Universiteit Nijmegen, om dat enkele, atoomdikke laagje grafeen in handen te krijgen.

Geim kreeg er in 2010 de Nobelprijs voor. Om dat te vieren werd destijds aan iedereen die aan de Nijmeegse universiteit werkte Geims truc uitgedeeld: een doosje met een potlood en een rol plakband. Zet met het potlood een streep op papier, plak er plakband over, haal dat los en op het plakband zit grafeen (min of meer).

Sindsdien verscheen er een niet aflatende stroom van publicaties over grafeen, want dit kristalijne koolstof heeft bijzondere eigenschappen waarvoor onderzoekers allerlei toepassingen zien. Zo is grafeen licht en toch supersterk. Probleem is alleen dat het niet van de grond wil komen; grafeen blijft steken in zijn twee dimensies van lengte en breedte en laat zich moeilijk uitbouwen naar een ruimtelijke structuur.

De onderzoekers van MIT, onder wie twee studenten: Gang Seob Jung en Min Jeong Kang, hebben daarin nu vooruitgang geboekt. Ze hebben die structuur nog niet in handen, maar met computersimulaties aangetoond dat minuscule vlokken grafeen onder de juiste druk en temperatuur aaneengeschakeld kunnen worden tot een ijle, maar ijzersterke structuur (zie foto).

Onder wetenschappers leefde de hoop dat grafeen een materiaal zou kunnen opleveren dat lichter is dan lucht en sterker dan staal. Dan zou het kostbare helium in ballonnen kunnen worden vervangen door grafeen. De Amerikaanse onderzoekers tonen nu aan dat dat onhaalbaar is; als je grafeen zo iel en licht maakt, bezwijkt het materiaal onder de luchtdruk.

Maar twintig keer lichter dan staal en toch tien keer sterker, is met grafeen zeker haalbaar. Dat weten de onderzoekers niet alleen uit hun computersimulaties; ze hebben die structuur ook gemaakt, maar dan tien miljoen keer groter dan het werkelijke grafeen, in een 3D-printer, en het resultaat vervolgens onderworpen aan druk- en trekproeven.

Een bijkomstigheid in dit onderzoek, die de wetenschappers zelf heeft verbaasd, is dat de kracht van de structuur op de foto niet zozeer schuilt in het materiaal maar vooral in de vorm. Deze structuur kwam tevoorschijn uit de studies met grafeen, maar zou met een andere grondstof ook zeer bruikbare vormen kunnen opleveren. De grillige graatstructuren zouden zelfs hun dienst kunnen bewijzen in de bouwkunde, vermoeden de onderzoekers, bijvoorbeeld in betonnen bruggen die zo open zijn dat je er doorheen kunt kijken en die toch grote draagkracht hebben.

undefined

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden