Grafeen 20 jaar oud: nog steeds geen teken van de beloofde ruimteliften, maar het materiaal verandert stilletjes de wereld

Twintig jaar geleden, in oktober, publiceerden twee natuurkundigen van de Universiteit van Manchester, Andre Geim en Konstantin Novoselov, een baanbrekend papier over het “elektrische veldeffect in atomair dunne koolstoffilms.” Hun werk beschreef de buitengewone elektronische eigenschappen van grafeen, een kristallijne vorm van koolstof die gelijk is aan een enkele laag grafiet van slechts één atoom dik.

Rond die tijd begon ik aan mijn doctoraat aan de University of Surrey. Ons team specialiseerde zich in de elektronische eigenschappen van koolstof. Koolstofnanotubes waren de nieuwste rage, die ik met plezier volgde. Op een dag moedigde mijn professor een groep van ons aan om naar Londen te reizen om een ​​lezing bij te wonen van een bekende wetenschapscommunicator van de University of Manchester. Dit was Andre Geim.

We werden niet teleurgesteld. Hij was inspirerend voor ons, frisse Ph.D.-studenten, door te praten over gekke vrijdagmiddagexperimenten met zwevende kikkers, voordat hij overging op atomair dunne koolstof. Toch waren we sceptisch over dit koolstofconcept. We konden niet geloven dat een materiaal dat effectief werd verkregen uit potloodlood met plakband, echt was wat het beweerde te zijn. Maar we hadden het mis.

Het werk werd snel gekopieerd en gereproduceerd door wetenschappers over de hele wereld. Er werden nieuwe methoden bedacht om dit materiaal te maken. Ongelooflijke beweringen over de eigenschappen ervan deden het klinken als iets uit een stripverhaal van Stan Lee. Sterker dan staal, zeer flexibel, superglad en ondoordringbaar voor gassen. Een betere elektronische geleider dan koper en een betere thermische geleider dan diamant, en bovendien praktisch onzichtbaar en met een groot aantal exotische kwantumeigenschappen.

Grafeen werd geprezen als een revolutionair materiaal, dat veelbelovende resultaten opleverde ultrasnelle elektronica, supercomputers En supersterke materialenEr zijn nog meer fantastische beweringen gedaan, waaronder ruimteliften, zonnezeilen, kunstmatige netvliezenzelfs onzichtbaarheidsmantels.

Slechts zes jaar na hun eerste werk kregen Geim en Novoselov de Nobelprijs voor de natuurkundewat het enthousiasme rondom dit wondermiddel verder aanwakkerde. Sindsdien zijn er honderdduizenden academische papers gepubliceerd over grafeen en verwante materialen.

Maar niet iedereen is aan boord. Blader door de commentaarsectie van een populair artikel over het materiaal en je zult snel de sceptici vinden. We hebben decennialang loze beloften over de impact van grafeen in de echte wereld moeten doorstaan, klagen ze. Waar zijn de baanbrekende producten om ons leven te verrijken of de wereld te redden van klimaatverandering, vragen ze.

Is grafeen nu een doorslaand succes of een flop? Zoals zo vaak het geval is, ligt de realiteit ergens tussenin.

De voor- en nadelen van grafeen

Wat de publieke perceptie betreft, is het eerlijk om te zeggen dat grafeen aan een onmogelijke standaard is gehouden. De populaire media kunnen wetenschappelijke verhalen zeker overdrijven voor kliks, maar academici – waaronder ikzelf – zijn ook niet immuun voor overdrijven of speculeren over hun favoriete projecten. Ik zou willen stellen dat dit zelfs nuttig kan zijn, en kan helpen om nieuwe technologieën vooruit te helpen. Er kan echter ook een terugslag zijn als de vooruitgang teleurstellend lijkt.

Dat gezegd hebbende, ontwrichtende technologieën zoals auto’s, televisie of plastic vereisten allemaal decennia van ontwikkeling. Grafeen is nog een nieuwkomer in het grote geheel der dingen, dus het is veel te vroeg om conclusies te trekken over de impact ervan.

Wat zich stilletjes heeft voorgedaan is een gestage integratie van grafeen in talloze praktische toepassingen. Veel hiervan is te danken aan de Grafeen vlaggenschipeen belangrijk Europees onderzoeksinitiatief gecoördineerd door Chalmers University of Technology in Zweden. Dit heeft als doel om grafeen en verwante materialen van academisch onderzoek naar commerciële toepassingen in de echte wereld te brengen, en meer dan 90 producten zijn in het afgelopen decennium als resultaat ontwikkeld.

Hiertoe behoren gemengde kunststoffen voor hoogwaardige toepassingen sportuitrustingduurzamer racebanden voor fietsen, motorhelmen die de impactkrachten beter verdelen, thermisch geleidende coatings voor motorfietsonderdelen, en smeermiddelen voor het verminderen van wrijving en slijtage tussen mechanische onderdelen.

Grafeen vindt zijn weg naar batterijen En supercondensatorenwat snellere laadtijden en langere levensduur mogelijk maakt. Geleidende grafeeninkten worden nu gebruikt om sensoren, draadloze trackingtags, verwarmingselementenEn elektromagnetische afscherming voor het beschermen van gevoelige elektronica. Grafeen wordt zelfs gebruikt in koptelefoon om de geluidskwaliteit te verbeteren en als een efficiëntere manier om warmte over te brengen airconditioning units.

Grafeenoxideproducten worden gebruikt voor ontzilting, afvalwaterbehandeling en zuivering van drinkwater. Ondertussen kan een reeks grafeenmaterialen kant-en-klaar worden gekocht voor gebruik in talloze andere producten, en grote bedrijven, waaronder RuimteX, Tesla, Panasonic, Samsung, Sony En Appel Er gaan geruchten of geruchten dat ze deze gebruiken om nieuwe producten te ontwikkelen.

Van belofte naar bruikbaarheid

De impact van grafeen op materiaalkunde is onmiskenbaar. De impact op consumentenproducten is tastbaar, maar niet zo zichtbaar. Zodra een materiaal in een werkend product is verwerkt, is er weinig reden om het te blijven noemen, en zorgen over eigendom kunnen bedrijven terughoudend maken om in elk geval in details te treden. Consumenten kunnen zich er daarom niet van bewust zijn dat hun auto, mobiele telefoon of golfclub grafeen bevat, en het kan ze waarschijnlijk ook niets schelen, zolang het maar werkt.

Naarmate productiemethoden verbeteren en kosten dalen, kunnen we verwachten dat grafeen steeds breder wordt toegepast. Schaalvoordelen maken het toegankelijker en het scala aan toepassingen zal waarschijnlijk blijven toenemen.

Persoonlijk word ik na twee decennia nog steeds enthousiast als ik het uitprobeer voor iets nieuws in het lab. Hoewel ik misschien schuldig ben aan het bijdragen aan de eerste hype, blijf ik optimistisch over het potentieel van grafeen. Ik wacht nog steeds op mijn ritje in een ruimtelift, maar in de tussentijd zal ik troost putten uit het feit dat grafeen al helpt een betere toekomst vorm te geven, stilletjes en gestaag.