Waar blijft het grafeenwonder?

Plak een stukje plakband op een met potlood getrokken streep. Als je het plakbandje wegtrekt, zitten er stukjes koolstof op. Sommige van die stukjes, te klein om met het blote oog te zien, zijn een bijzonderheid die tot voor kort geen wetenschapper kon namaken: een laagje van slechts één koolstofatoom dik, met de zeshoekstructuur van kippengaas. Grafeen, heet het.

Wetenschappers waren al sinds 1859 op zoek naar het spul, maar het duurde tot 2004 tot onderzoekers in Manchester de plakbandtruc uitvoerden. De Russische Nederlander Andre Geim kreeg zes jaar later de Nobelprijs voor deze ontdekking, samen met Konstantin Novoselov. Het is dan ook droom-materiaal. Dunner dan wat dan ook, sterker dan staal, een betere geleider dan koper, vederlicht, doorzichtig, buigzaam.

Daarnaast vertonen elektronen bijzondere eigenschappen als ze door grafeen lopen - zo gedragen ze zich alsof ze geen massa hebben - die in theorie de deur openen naar compleet nieuwe soorten elektronica. Meer dan tienduizend patenten werden er vastgelegd, voor de meest uiteenlopende toepassingen: waterontzilting en -zuivering, batterijen, coatings, zonnepanelen, het bepalen van DNA-volgordes, lenzen voor satellieten, het opruimen van radioactief afval, antennes voor mobieltjes en nog veel meer.

Licht

Inmiddels is het 2018, maar er is nog bar weinig grafeenspul te koop. "Er zijn een paar toepassingen, maar echt hightech zijn die niet", vertelt natuurkundige Johannes Jobst van de Universiteit Leiden. "Die toepassingen maken gebruik van het feit dat grafeen licht is, goed geleidt en flexibel is. Er is een tennisracket dat volgens de fabrikant sterker en lichter is, omdat er grafeen in verwerkt is. Een motorhelm die de warmte beter wegleidt van je hoofd, en verf waarmee je elektrische circuits kunt aanbrengen. Het zijn toepassingen waarvoor je ook grafiet zou kunnen gebruiken, maar die met grafeen iets beter werken."

"Voor lowtech-toepassingen zoals motorhelmen is de scheikunde meer vergevingsgezind", legt Jobst uit: "Het is daarbij niet zo erg als je af en toe een gaatje of een dubbele laag in je grafeen hebt. En dat soort laagwaardige, of in elk geval niet-perfecte, grafeen is relatief gemakkelijk te maken. Voor elektronica ligt dat anders. Toepassingen op dat gebied komen pas verderop in de keten van innovaties."

Eerst investeren

Jobst: "Hoogwaardig grafeen is nog duur om te maken, maar in potentie kan het heel goedkoop worden: er is in elk geval genoeg koolstof op deze planeet. Voor touchscreens heb je doorzichtige elektroden nodig en die worden nu gemaakt van dure grondstoffen, zoals het metaal indium. Veel van de grafeentechnologie is er al, maar het is nog niet goed genoeg, of niet goedkoop genoeg, om de competitie aan te gaan met wat er al op de markt is. En om te zorgen dat het goedkoper wordt, moet je eerst investeren."

De Amsterdamse hoogleraar Joost Frenken, directeur van het Advanced Research Center for Nanolithography, vertelt iets soortgelijks. "Bij nieuwe materialen wordt er vaak aan overselling gedaan, en dat is ook hier gebeurd. Niet één van de grafeentoepassingen waarover werd gefantaseerd, is echter overboord gezet. Dat je nog zo weinig kan kopen, komt vooral door praktische problemen: hoe maak je het spul? Daardoor duurt het langer dan ons geduld aankan, en op een gegeven moment krijg je geen cent meer aan subsidie of investeringen, omdat niemand er nog in gelooft."

Zover is het nog lang niet. Wetenschapsfinanciers, zoals NWO namens de Nederlandse overheid, betalen nog graag voor onderzoek naar grafeen, chemisch veranderd grafeen en andere platte materialen (zie kader). En met steun van de Europese Commissie is in 2016 een samenwerkingsverband van 150 universiteiten, instituten en bedrijven opgezet, het Graphene Flagship, dat een budget heeft van een miljard euro.

Van dat miljard is de helft afkomstig van de Europese Commissie. Enkele tientallen miljoenen komen van deelnemende EU-lidstaten. Is het niet raar dat Europa belastinggeld uitgeeft aan technologie die bedrijven uiteindelijk willen verkopen? Andrea Ferrari van de universiteit van Cambridge, mede-initiatief-nemer van het Graphene Flagship, vindt van niet. "Bedrijven kunnen gewoon hun eigen R&D betalen, en dat doen ze ook. Maar dit is een compleet nieuw materiaal, dat een hoop nieuwe uitdagingen met zich meebrengt."

Ferrari: "De deelnemers van het Flagship doen avontuurlijker onderzoek dan bedrijven zouden kunnen doen, en als dat succesvol is, gaat het via een spin-off of via patenten naar de deelnemende bedrijven. We proberen allerlei dingen: energieopslag, nieuwe vormen van elektronica, biomedische toepassingen, sensoren, printbare elektronica en nog veel meer. Niet elk type grafeenbatterij dat we onderzoeken zal succesvol zijn, maar sommige zeker wel. Dankzij deze samenwerking kunnen we een wijder net uitwerpen. Bedrijven kunnen zich richten op onderzoeksrichtingen die de grootste belofte in zich hebben."

Risico's van onderzoek

Nanowetenschapper Peter Steeneken van de TU Delft zit ook in het Graphene Flagship. "Als ze van tevoren zeker weten dat het gaat lukken, investeren bedrijven zelf wel. De vraag hoe die verantwoordelijkheid is verdeeld, blijft interessant, en niet alleen voor grafeen. Wat willen we met ons toegepaste academisch onderzoek? Hoe lang mag het duren? Hoe groot mag het risico zijn? Het is goed dat er op universiteiten plek is om verder te werken aan zo'n veelbelovende, maar niet gegarandeerd succesvolle technologie als grafeen."

"De industrie doet minder langetermijn-onderzoek dan vroeger", vervolgt Steeneken. "Ten dele is dat te verklaren door kortetermijnbelangen en grotere macht van de aandeelhouders. Het is echter te gemakkelijk om te zeggen dat bedrijven achterover leunen. Door de wereldwijde competitie is het een steeds grotere uitdaging om concurrerende producten te leveren."

Zijn we met grafeen op de goede weg? "Ik denk het wel. Door te blijven proberen, vind je vanzelf een doorbraak, en zelfs als niet elk onderzoek tot een product leidt, helpt het om jonge mensen op te leiden. Het lijkt me in elk geval niet wenselijk voor de technologische vooruitgang als we iedereen risicomijdend opvoeden."

De Amsterdamse hoogleraar Frenken: "Samsung claimde al heel vroeg successen met grafeen, waarmee het bedrijf oprolbare beeldschermen wilde maken. Die zouden er in 2010 al moeten zijn. Maar ook Samsung is ergens in het productieproces vastgelopen. De precieze reden hebben ze niet met ons gedeeld, maar het zal te maken hebben gehad met de productie van grafeen, of het losmaken ervan. Het kost ongelofelijk veel tijd om de productie van grafeen op een industrieel niveau te krijgen: grote hoeveelheden van goede kwaliteit die bijna niets kosten. Tot het zover is, gaan bedrijven er niet mee aan de slag." En zolang bedrijven er niet mee aan de slag gaan, is er geen reden om al die tijd te investeren. Frenken: "Het is een probleem van de kip en het ei."

"Bij Applied Nanolayers, een bedrijf dat ik met anderen in Nijmegen heb opgericht, maken we grafeen door koolstofhoudende moleculen op een heet oppervlak uit elkaar te laten vallen. De koolstofatomen vormen dan zelf een netwerk, ongeveer zoals parachutespringers die een patroon vormen voor de valschermen opengaan. Het probleem is: ze komen elkaar overal tegen en er is geen dirigent om ze in de maat te houden. Dus zijn sommige clusters van koolstofnetwerken iets verdraaid ten opzichte van elkaar: alsof de ene springer geen hand, maar een been heeft vastgepakt."

Frenken: "Het blijft ook moeilijk om op precies één atoomlaag uit te komen. Je krijgt gaten, of twee lagen op elkaar. En om het nog erger te maken: als je het hebt gemaakt, moet je het daarna van de ondergrond pellen. Ook daarbij gaat van alles mis: het frommelt op, gaat kapot, raakt chemisch beschadigd. Voor je het kunt toepassen, heb je het al op allerlei manieren verknald."

Geen sciencefiction

Uiteindelijk zal hoogwaardig grafeen in nichetoepassingen op de markt komen, verwacht Frenken. "Als grafeen een toepassing krijgt in industriële machines, merk je daar als consument niets van, maar het helpt wel de productie op te krikken. Nogmaals: er is wel aan overselling gedaan, maar niet aan sciencefiction. Het duurt langer dan gehoopt, maar er is nog geen toepassing gediskwalificeerd. Nu raken mensen uitgekeken op de belofte, maar straks komt grafeen in allerlei producten alsnog binnen. Als onderdelen van chips, sensoren, coatings of flexibele beeldschermen."

Andrea Ferrari: "Grafeen komt eraan. Elke nieuwe technologie heeft dertig tot veertig jaar nodig om van het lab naar de fabriek te komen. Zo gezien liggen wij met grafeen behoorlijk op schema."

Moleculaire sandwiches

Na de ontdekking van grafeen werd duidelijk dat er veel meer van zulke ultiem platte materialen gemaakt kunnen worden, die elk hun eigen bijzondere eigenschappen hebben. De jongste trend is laagjes van die stoffen op elkaar te plakken tot zogeheten Van der Waals-materialen, die de eigenschappen van verschillende materialen combineren.

"Het idee is dat je een materiaal kunt componeren door laagjes op elkaar te plakken", zegt Johannes Jobst van de Universiteit Leiden. "In iets dat bijvoorbeeld vier atomen dik is, zou je de eigenschappen van de verschillende lagen kunnen combineren. Bijvoorbeeld een combinatie van een halfgeleider van één atoom dik, met een laagje boornitride erop tegen de oxidatie, en grafeen dat werkt als geleider. Dan heb je iets van drie atomen dik, waarmee je licht kunt detecteren."

"Met de Van der Waals-materialen zitten we nu nog in de plakbandfase. Het is moeilijk om ermee te werken en om ze op elkaar te laten groeien. Het is een nieuwe benadering van de materiaalwetenschap, maar het is allemaal nog heel fundamenteel. Wat de regels zijn om de eigenschappen te laten samenwerken, is nog onduidelijk. Maar als het werkt, kan het van alles opleveren: denk bijvoorbeeld aan piepkleine sensoren voor chemicaliën, die je in aderen of hersenen zou kunnen aanbrengen."

Onmenselijke maat

Koolstofnanobuisjes waren het grafeen van de jaren negentig: het nieuwe wondermateriaal van koolstof dat de wereld zou veranderen. De buisjes waren goede geleiders, en in theorie kon je er kabels van maken, veel lichter dan alle andere materialen. In de populair-wetenschappelijke pers werd zelfs gefantaseerd over een kabel die sterk genoeg was om een lift naar de ruimte te bouwen.

"Inmiddels beloopt de wereldwijde productie van koolstofnanobuisjes zesduizend ton per jaar", zegt Andrea Ferrari, hoogleraar in Cambridge. "Daar zijn we nu: op dertig jaar van het veertigjarige traject dat nodig is om een nieuwe technologie van het lab naar de markt te brengen. En koolstofnanobuisjes zijn inmiddels spotgoedkoop te krijgen, maar de toepassing is nog moeilijk. De ruimtelift was altijd al een dwaas verhaal, verteld om studenten en kinderen te inspireren. Er zijn steeds meer producten te koop met die buisjes erin. Met grafeen zal het dezelfde kant opgaan: we liggen keurig op schema."

"Mensen storten zich op de hype, maar de menselijke tijdschaal is te kort. Dus volgt op iedere hype een dal", verzucht Marcin Otto, directeur van het Nederlandse bedrijf Conyar, dat garens van nanobuisjes spint. Het is nu nog een nicheproduct: zijn garens zitten in satellieten en heel dure hifi-sets, en hij is in gesprek met ingenieurs uit de Formule 1, een sector waar elke gewichtsbesparing verschil kan maken tussen winst en verlies.

"We beginnen nu pas uit dat dal te komen. Het traject is onmenselijk lang. De Russen maakten de eerste buisjes al in de jaren vijftig, in de jaren negentig waren ze de hele tijd in het nieuws. Dertig jaar wachten, dat kunnen mensen niet goed aan. Ondernemers willen dat iets snel klaar is. Als iemand in een groot bedrijf met een echt nieuw idee komt, dan weet z'n baas dat het vijftien jaar duurt voor er ook maar een pilotproduct is. En dan is hij met pensioen. Investeerders schrikken van zulke termijnen, om dezelfde reden. Bij grafeen zal het net zo gaan. Het dal komt nog, zei ik jaren geleden al. Et voilà."