Op weg naar het beloofde platland Geim: 'In de voetsporen van het veelzijdige plastic' Katsnelson: 'Goedkoop DNA-structuur lezen' Vandersypen: 'Vangen van één molecuul'

Natuurkunde In hoog tempo worden nieuwe toepassingen bedacht voor het superplatte grafeen. Is het Grafeentijdperk nabij? De Nobelprijswinnaar en twee andere experts praten over het wondermateriaal.

‘ I’m a material girl”, zong popdiva Madonna. Maar tegenwoordig zijn we natuurlijk vooral siliciumjongens en -meisjes. Jaarlijks produceren elektronicaconcerns een miljoen maal biljoen siliciumtransistoren: voor in mobiele telefoons, laptops, digitale camera’s en al die andere spullen die onmisbaar zijn geworden. We leven niet in de Steentijd, de Bronstijd of het Stoomtijdperk, maar in de Siliciumtijd.

Of dat zo blijft? In 2010 kregen de Russen André Geim en Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor hun ontdekking, in Manchester, van een nieuw materiaal. Grafeen.

Dat materiaal is platter dan plat – het bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een ‘kippengaaspatroon’. Maar bovendien is het veelzijdiger dan alle andere materialen tot dusver. Grafeen is daardoor niet alleen interessant voor fysici die in dit ‘ultieme platland’ nieuwe fenomenen kunnen bestuderen, het biedt ook zicht op vele toepassingen.

Grafeen geleidt elektriciteit ongeveer zo goed als koper dat doet. Het geleidt warmte beter dan alle bekende materialen. Het is buigzaam en nagenoeg transparant, maar toch zo ondoorlaatbaar dat het zelfs heliumgas tegenhoudt. En ook al is het extreem dun, toch is het amper kapot te krijgen als je eraan trekt.

Geen wonder dat de Russen zes jaar na de ontdekking van het materiaal, en vóórdat er toepassingen gerealiseerd waren, al door het Nobelcomité werden beloond. Sommigen voorspelden destijds zelfs dat het niet lang zou duren eer grafeen het alomtegenwoordige silicium van de troon zou stoten. Want: van het platte grafeen zou je nòg kleinere transistoren kunnen bouwen. En omdat elektronen tot wel 70 keer sneller door grafeen reizen dan door silicium, zouden die grafeentransistoren bovendien veel sneller zijn.

En nu? Nu het stof van de Nobelprijs is neergedaald?

Nu is grafeen zelfs hotter dan in 2010. Toen verschenen wekelijks wereldwijd zo’n vijftig wetenschappelijke publicaties over toepassingen van grafeen, fenomenen in grafeen, methoden om grafeen te maken enzovoorts. Nu meer dan tachtig.

Toch heeft het volgens het principe van Nobelprijswinnaar Herbert Kroemer (natuurkunde, 2000) geen zin om grafeen klakkeloos en enthousiast de plek van silicium toe te bedelen. Een nieuwe technologie (of een materiaal dus) brengt zijn eigen unieke toepassingen voort, vindt Kroemer. Grafeen in de rol van silicium persen, is dan zoiets als een vierkant blokje door een driehoekig gat proberen te duwen. De kunst is juist om ‘de unieke kracht’ van grafeen zelf te ontdekken (zie: Nature, Graphene outlook, 15 maart 2012) .

En ja, dat kan nog even duren. Bij silicium verstreken er 130 jaar tussen de ontdekking van het materiaal (in 1824) en de bouw van de eerste siliciumtransistor (in 1954) – jaren waarin eerst nog allerlei, achteraf bezien leerzame, kronkelpaden werden bewandeld.

Hoe zal dat bij grafeen gaan? Is al te bedenken wat de grootste kracht ervan is? Is een Grafeentijdperk voorstelbaar? Drie grafeenexperts over hun onderzoek en hun verwachtingen.