Knippen en plakken met grafeen
Het bleek tot nu toe heel lastig om de beloftes van het wondermateriaal grafeen om te zetten in praktische toepassingen. Amedeo Bellunato, promovendus aan het Leiden Institute of Chemistry, ontwikkelde een methode om grafeen met een diamantmes op te knippen, en daar nanostrucuren mee te bouwen. Promotie op 11 december.
Grafeen is een slechts één atoom dikke honingraat-structuur van koolstof-atomen. Na de ontdekking, in 2004, leek dit het ideale basismateriaal voor nanotechnologie: supersterk, en het geleidt zowel warmte als elektriciteit uitzonderlijk goed. In 2013 startte de EU een Graphene Flagship onderzoeksprogramma met een budget van 1 miljard euro om toepassingen te ontwikkelen voor onder meer efficiëntere zonnecellen, LEDs, batterijen en allerlei sensoren.
Maar in zijn proefschrift constateert Bellunato dat het maken van zulke nanostructuren nog steeds uiterst gecompliceerde productieprocessen vergt, die zich niet lenen voor serieproductie. Ook is het nog nauwelijks gelukt om grafeen selectief chemisch te 'functionaliseren', dat wil zeggen: aan de randen van een grafeen nanostructuur andere chemische elementen, zoals zuurstof- of stikstof-atomen, te koppelen. Dit is nodig om van grafeen een veelzijdig bruikbaar nanomateriaal te maken.
Grafeen sandwich
Geïnspireerd door eerdere experimenten, besloot Bellunato om dit heel anders aan te pakken, namelijk door een sandwich van plastic en metaal met in het midden een laag grafeen, letterlijk aan stukken te knippen. Dit gebeurt met een microtoom, een mesje van diamant dat met atomaire precisie plakjes afsnijdt.
In het snijvlak van de sandwich komt een perfect schone, één atoom dikke rand van grafeen bloot te liggen, die chemisch voorzien kan worden van andere atomen of moleculen. Ook kan de plak grafeen worden aangesloten op een elektrische spanning, waardoor het als een elektrochemische cel gaat fungeren. Dit is vergelijkbaar met het elektrochemisch coaten van een metaal, maar dan op nanoschaal, want alleen de rand van het grafeen wordt gecoat. Verder kon Bellunato met microscopisch dun afgesneden strookjes sandwich nanoporiën en nanospleten van grafeen van bouwen.
Kruiselings
Ook lukte het om een zogeheten tunnel junction te maken. Deze ontstaat tussen twee elektrische geleiders, als die elkaar op één punt tot op enkele nanometers naderen. Er kan dan toch een minuscuul stroompje tussen de twee geleiders gaan lopen. Omdat de grootte van het stroompje zeer gevoelig is voor de onderlinge afstand van de geleiders, vormt dit tunnel-effect de basis voor allerlei uiterst gevoelige sensoren.
Bellunato: 'Deze tunnel junction werkt al. Het is verder een kwestie van de techniek verfijnen, en dan is hij over een jaar of vijf praktisch toepasbaar.' De onconventionele technieken die hij ontwikkelde, zullen volgens hem niet primair van belang zijn voor consumentenproducten, maar wel voor geavanceerde onderzoeksinstrumenten.
Tekst: Arnout Jaspers