Wat is  grafeen

Wat is Grafeen? Het is een een enkele atoom laag koolstofatomen die in een hexagonale rooster zijn gerangschikt. Grafeen werd voor het eerst geïsoleerd in 2004 door Andre Geim en Konstantin Novoselov aan de Universiteit van Manchester, en ze kregen in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun werk.

Grafeen is een echt opmerkelijk materiaal met een aantal uitzonderlijke eigenschappen, waaronder:

• Hoge elektrische geleidbaarheid: Grafeen is een uitstekende geleider van elektriciteit, met een geleidbaarheid die ongeveer 100 keer groter is dan die van koper. Dit betekent dat graphene kan worden gebruikt om zeer efficiënte transistors en andere elektronische apparaten te maken. De koolstofatomen in grafeen zijn allemaal verbonden met elkaar door sp2-bindingen, terwijl ze drie elektronen delen. Er blijft dus 1 elektron over die vrij is om te bewegen door het materiaal, wat zorgt voor de hoge elektrische geleidbaarheid. Met grafeen kan een moiré-patroon worden gevormd door de overlap van twee grafeenlagen met een kleine hoek. Het patroon is dan zichtbaar als een patroon van donkere en lichte lijnen of strepen. De grootte en vorm van het patroon zijn afhankelijk van de hoek tussen de twee lagen en de afstand tussen hen. Deze patronen kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan eigenschappen van grafeen te onderzoeken, zoals de elektrische geleidbaarheid, de mechanische eigenschappen en de optische eigenschappen. Ze worden ook gebruikt om nieuwe grafeen-gebaseerde materialen en apparaten te ontwikkelen.

• Hoge thermische geleidbaarheid: Grafeen is ook een zeer goede geleider van warmte, met een thermische geleidbaarheid die ongeveer 5 keer groter is dan die van koper. Dit betekent dat graphene kan worden gebruikt om zeer efficiënte warmteafleiders en thermische interfacematerialen te maken zoals de volgende voorbeelden; 

Thermische management: grafeen kan worden gebruikt om zeer efficiënte warmteafvoer te bieden in elektronische apparaten en andere toepassingen. 

Energieopslag: grafeen kan worden gebruikt om supercondensatoren te maken die meer energie kunnen opslaan dan traditionele supercondensatoren. 

Sensoren: grafeen kan worden gebruikt om sensoren te maken die zeer gevoelig zijn voor een breed scala aan stimuli. 

Composites: grafeen kan worden toegevoegd aan andere materialen om ze sterker, lichter en meer thermisch geleidend te maken. 

Biomedische apparaten: grafeen kan worden gebruikt om biomedische apparaten te maken, zoals implantaten en sensoren.

• Hoge mechanische sterkte: Grafeen is het sterkste materialen dat bekend is, met een treksterkte van 130 GPa, wat ongeveer 200 keer meer is dan die van staal. Dit betekent dat graphene kan worden gebruikt om zeer sterke en lichtgewicht composieten te maken. Dit kan worden toegepast in de lucht- en ruimtevaart, de bouw en andere industrieën. Grafeen kan ook worden gebruikt om beschermende coatings te maken die zeer resistent zijn tegen schade. Dit kan bijvoorbeeld worden toegepast in de auto-industrie, de bouw en andere industrieën. Door de biocompabiliteit kan grafeen ook worden gebruikt om medische apparaten te maken die zeer sterk en lichtgewicht zijn. Dit kan worden toegepast in implantaten, prothesen en andere medische apparaten.

• Hoge flexibiliteit: Grafeen is ook zeer flexibel en kan tot 20% van zijn oorspronkelijke lengte worden uitgerekt zonder te breken. Dit betekent dat grafeen kan worden gebruikt om zeer flexibele elektronische apparaten en composieten te maken.

• Hoge transparantie: Grafeen is ook zeer transparant, met een transmissie van ongeveer 97%. Dit betekent dat grafeen kan worden gebruikt om zeer transparante elektronische apparaten en composieten te maken.

In aanvulling op deze uitzonderlijke eigenschappen, heeft grafeen ook een aantal andere potentiële voordelen, waaronder:

• Chemische inertie: Grafeen is chemisch inert, wat betekent dat het niet gemakkelijk wordt gecorrodeerd of beschadigd door chemicaliën. Dit maakt grafeen een veelbelovend materiaal voor gebruik in een verscheidenheid aan toepassingen waar corrosiebestendigheid belangrijk is.

• Biocompatibiliteit: Grafeen is biocompatibel, wat betekent dat het niet giftig is voor levende cellen. Dit maakt grafeen een veelbelovend materiaal voor gebruik in biomedische toepassingen, zoals implantaten en sensoren.

• Scalabiliteit: Grafeen kan in grote hoeveelheden worden geproduceerd, wat het een schaalbaar materiaal maakt voor industriële toepassingen.

De theoretisch achtergrond van grafeen kan worden herleid tot de vroege jaren 1960, toen P.R. Wallace voor het eerst voorspelde dat een tweedimensionale laag koolstofatomen een halfgeleider met een hoge elektrische geleidbaarheid zou zijn. Het was echter pas in de vroege jaren 2000 dat grafeen daadwerkelijk werd geïsoleerd en gekarakteriseerd.

Grafeen werd voor het eerst geïsoleerd in 2004 door Andre Geim en Konstantin Novoselov aan de Universiteit van Manchester. Ze gebruikten een plakbandmethode om grafeen te isoleren van grafiet door er elke keer opnieuw laagjes vanaf elkaar af te pellen. De plakbandmethode is een eenvoudige maar arbeidsintensieve manier om grafeen te isoleren, maar het leidt tot grafeenmembranen met een groot aantal defecten. Deze defecten kunnen de eigenschappen van grafeen beïnvloeden, zoals de elektrische geleidbaarheid, de mechanische sterkte en de optische eigenschappen. Enkele van de meest voorkomende defecten in grafeen zijn:

• Vouwen: Vouwen kunnen worden veroorzaakt door verschillende factoren, zoals mechanische schade, chemische behandeling en blootstelling aan hoge temperaturen. Vouwen kunnen de elektrische geleidbaarheid en de mechanische sterkte van grafeen verminderen.

• Gaten: Gaten kunnen worden veroorzaakt door verschillende factoren, zoals mechanische schade, chemische behandeling en blootstelling aan hoge temperaturen. Gaten kunnen de elektrische geleidbaarheid en de mechanische sterkte van grafeen verminderen.

• Vervuiling: Vervuiling kan worden veroorzaakt door verschillende factoren, zoals blootstelling aan lucht, water en andere chemische stoffen. Vervuiling kan de elektrische geleidbaarheid en de mechanische sterkte van grafeen verminderen.

• Meer of minder lagen: Grafeen kan ook in de vorm van meerlagenmembranen voorkomen, deze hebben een lagere elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte dan monolagen.

In de afgelopen jaren zijn er verschillende nieuwe methoden ontwikkeld om grafeen te isoleren. Deze methoden leiden tot grafeenmembranen met een lagere defectdichtheid, wat de eigenschappen van grafeen verbetert. Een van de meest veelbelovende nieuwe methoden is het chemische vapor deposition (CVD)-proces. Het CVD-proces is een proces waarbij grafeen wordt gevormd op een substraat door koolstofmonoxide te laten reageren met waterstof onder hoge temperatuur en druk. Het CVD-proces leidt tot grafeenmembranen met een zeer lage defectdichtheid, waardoor de eigenschappen van grafeen veel beter zijn dan de eigenschappen van grafeenmembranen die met de plakbandmethode zijn geïsoleerd.

De flashmethode is een nieuw proces voor het maken van grafeen. Grafiet wordt heel snel verhit tot een hoge temperatuur, waardoor de lagen grafeen loslaten van elkaar en opstijgen als een gas. Het gas wordt vervolgens gekoeld, waardoor de lagen grafeen weer samenkomen en grafeen vormen. Dit is een zeer veelbelovende methode. De methode is zeer efficiënt en het leidt tot grafeen met een zeer hoge kwaliteit. 

De uitzonderlijke eigenschappen en potentiële voordelen van grafeen maken het een zeer veelbelovend materiaal voor een breed scala aan toepassingen. Naarmate het onderzoek naar grafeen voortduurt, kunnen we in de komende jaren nog meer innovatieve en baanbrekende toepassingen van dit verbazingwekkende materiaal verwachten. De meeste mogelijkheden van grafeen zijn nog niet eens uitgevonden of zelfs maar bedacht.