Een van de plaatsen waar het grafeenonderzoek plaatsvindt, is het Huygens-Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden, zegt natuurkundige Dirk van Baarle. „Al snel na de ontdekking van grafeen in 2004 dachten we: Hé, wij gaan met onze unieke apparatuur ook meedoen. ” Dinsdag 29 november promoveert hij aan de Universiteit Leiden op het onderwerp ”The origins of friction and the growth of graphene”.

De overeenkomst tussen de woorden ”grafeen” en ”grafiet” is niet toevallig. Het verschil zit hem in de hoeveelheid laagjes. Het grafiet dat een potlood op papier achterlaat, bestaat uit duizenden koolstoflaagjes. Met grafeen heb je één zo’n laagje in handen. De koolstofatomen zijn gerangschikt in zeshoeken. Net kippengaas met op elke hoek een koolstofatoom.

Signaaloverdracht

Het is niet verwonderlijk dat fabrikanten grafeen graag willen toepassen in hun producten, licht Van Baarle toe. „Elektronen kunnen zich in grafeen heel vrij bewegen. Dat zorgt voor een efficiënte signaaloverdracht. Grafeen is veel efficiënter en flexibeler dan bijvoorbeeld silicium. De structuur is ook relatief eenvoudig. Daardoor is theoretisch onderzoek naar de stof redelijk goedkoop.”

De afgelopen jaren heeft Van Baarle zich ingespannen om in Leiden grafeen van hoge kwaliteit te maken. „Voor je toe bent aan industriële toepassingen moet je de kwaliteit volledig onder controle hebben. Zit er ergens een defect, bijvoorbeeld een ander atoom in plaats van koolstof, dan betekent dat voor de signaaloverdracht een steen op de weg.”

Voor zijn onderzoek maakte Van Baarle gebruik van een rastertunnelmicroscoop, die met een dun naaldje het grafeenoppervlak atoom na atoom aftast. „De informatie die de microscoop levert, stelt ons in staat het samenspel van koolstofatomen nauwkeurig te beschrijven. Die kennis kun je meteen toepassen om goed grafeen te maken.”

Spin-off

Grafeen groeit bij temperaturen tussen de 700 en de 1000 graden Celsius. Leidse technici hebben eigenhandig een microscoop gebouwd die ook bij hoge temperaturen kan worden gebruikt. „Daarmee kunnen we zaken zien die men elders ter wereld niet ziet.”

Aan de hand van de informatie die de microscoop opleverde, heeft de vakgroep waar Van Baarle deel van uitmaakt een apparaat gebouwd waarmee ze op grote schaal grafeen van hoge kwaliteit kunnen maken. Dat heeft geleid tot een patent en een spin-off, een bedrijfje dat vanuit de universiteit is ontstaan. „Industriële klanten kunnen daar stukjes grafeen van hoge kwaliteit kopen. Dat is nu nog duur, maar wordt bijvoorbeeld in speciale detectors voor het meten van straling al toegepast.”

Het is voor Van Baarle niet de vraag óf, maar wanneer grafeen op grote schaal zal worden ingezet. „Het is vooral een kwestie van aandacht en geld. Niet van onmogelijkheden.”

Nobelprijs voor grafeen

De ontdekking van grafeen leverde de natuurkundigen André Geim en Konstantin Novoselov zes jaar geleden een Nobelprijs op.

De natuurkundewereld reageerde in eerste instantie sceptisch op hun publicatie in Nature. In theorie zou het materiaal niet eens kunnen bestaan. Intussen werken vakgroepen wereldwijd aan deze veelbelovende koolstofvariant die de elektronicawereld op zijn kop zet.

Beide nanotechnologen zijn Rus van geboorte en als hoogleraar verbonden aan de Britse universiteit van Manchester. Voordat ze daar terechtkwamen, werkten ze een aantal jaar aan de Radboud Universiteit Nijmegen, met de supermagneet van prof. dr. Jan Kees Maan. Novoselov is er in 2003 gepromoveerd, Geim was er van 1994 tot 2001 universitair docent. Geim heeft destijds de Nederlandse nationaliteit aangenomen. Novoselov is Brits-Russisch staatsburger.

In 2010 haalde Nijmegen de banden met Geim weer wat aan, door hem als bijzonder hoogleraar te benoemen. Geim ziet de toepassing van grafeen in de praktijk al voor zich: „Het is het dunste, stijfste, sterkste en meest rekbare kristal dat we kennen. Het geleidt een miljoen keer beter dan koper en kan met één enkele atoomlaag gassen tegenhouden.”

Lange tijd stond de onmogelijkheid om grote hoeveelheden grafeen te maken een doorbraak in de elektronica in de weg. Maar begin 2010 lukte het om meer dan 1 vierkante centimeter te produceren.

Elke week verschijnen er ruim vijftig publicaties met grafeen in de titel, en wordt er ook bij bedrijven als Samsung en IBM hard gewerkt aan toepassingen in bijvoorbeeld touchscreens en platte beeldschermen.