bestaatnietDe Nobelprijs natuurkunde ging deze week

naar grafeen: plat, maar o zo veelzijdig.

Margriet van der Heijden

WIE ZIJN ANDRE GEIM EN KONSTANTIN NOVOSELOV?

Een Nobelprijs maakteen vakgebied hot. Al-leen: “Hotter dan het alwas, kan het onderzoekaan grafeen niet meer

worden”, zegt Lieven Vandersypen.Quantumfysicus Vandersypen ishoogleraar in Delft en kreeg in 2008een subsidie van 1,3 miljoen euro vande Europese Unie. Daarmee bestu-deert hij (onder meer) grafeen: hetmateriaal dat sinds de bekendmakingvan de Nobelprijs natuurkunde noghotter is dan het al was. Of niet dus.Vandersypen onderzoekt of grafeende grondstof kan zijn voor de schake-lingen in toekomstige quantumcom-puters. Dat is één mogelijkheid diehet veelzijdige materiaal biedt. Opandere plaatsen in de wereld wordenandere eigenschappen en andere toe-passingen van grafeen bestudeerd.Vandersypen: “Ik heb het nog evenopgezocht: wekelijks verschijnen ernu ongeveer vijftig grafeenpublica-ties in de vakbladen.” Toch werd hetmateriaal pas zo’n vijf jaar geledenontdekt.

PL AKBAND Het verhaal van de ont-dekking van grafeen is vaker verteld,maar te leuk om over te slaan. Bijnaniks was er voor nodig: alleen plak-band en grafiet, het materiaal waarpotloodpunten van gemaakt zijn.Nou ja, nog twee slimme Russen: No-belprijswinnaars Andre Geim (51, inhet bezit van een Nederlands pas-poort) en Konstantin Novoselov (pas36, met een Brits paspoort).Hun werkwijze is typerend voor deRussische school, zegt Carlo Beenak-ker: “Russen zijn met weinig midde-len heel inventief.” Beenakker is the-oretisch fysicus en hoogleraar in Lei-den. Hij rekende de afgelopen vijfjaar aan grafeen, met tien man en metook al zo’n prestigieuze Europesesubsidie.Toen de twee Russen hun proeven de-den zaten ze nog maar kort bij de uni-versiteit van Manchester, zegt Been-akker. “En de Britse wetenschapwordt tegenwoordig ook maar arm-zalig bedeeld, dus ze hadden toenecht nog niet veel apparatuur.”Dat een potloodpunt en een rolletjeScotch volstonden, is natuurlijk weleen beetje aangedikt. In werkelijk-heid werkten Geim en Novoselov meteen blok zuiver grafiet, en in eenschoon lab. In S c i e n c e Wa t ch b e s ch r e e fNovoselov in 2008 hun methode. Zijleerden die terloops van een techni-cus uit hun lab, die demonstreerdehoe je een grafietoppervlak ‘s ch o o n -maakt’: door het mogelijk vies gewor-den oppervlaktelaagje er metScotchtape af te trekken. “Dat is het!”,wisten Novoselov en Geim meteen.Grafiet bestaat uit een stapeling vantalloze velletjes grafeen – velletjes

van maar één atoom dik en met destructuur van kippengaas. Ze wordenbij elkaar gehouden door zogehetenVanderwaalskrachten, die niet ergsterk zijn. Anders zou je met een pot-lood nooit grafietschilfers – het pot-loodstreepje – op papier kunnen ach-terlaten.Maar zelfs dunne potloodstreepjeszijn nog steeds vele grafeenlagen dik.Om enkellaags grafeen te verkrijgenvolgden fysici daarom – voordatGeim en Novoselov hun slag sloegen– een ingewikkelde methode, waarbijze plakjes grafiet steeds dunnermaakten. Na jaren werk telden hunstapeltjes nog steeds zo’n honderdgrafeenlagen, of negentig misschien.Met Scotch kon het sneller, dachtenGeim en Novoselov.Geduldig vouwden zij steeds hunplakband dubbel en peuterden zo tel-kens meer laagjes van hun als eerstelos geplukte schilfertjes af – tot weltwintig keer toe. En totdat enkellaagsgrafeen overbleef.‘Op het eerste gezicht’, schreef Geimdrie jaar later in Physics Today, ‘l ij k thet misschien zo te zijn dat we voorhet bestuderen van natuurkundigefenomenen vastzitten aan drie ruim-telijke dimensies en een tijddimensie.

nog niet bekend. Alleen, zo zei Novo-selov in S c i e n c e Wa t ch : “Precies die on-dergrond hadden we in het lab liggenen we gebruikten die ook. Puur ge-luk!”Op het siliciumoxide, dat kleurigglanst als olie in een modderpoel,maakte het grafeen (via interferentie)een zwak, maar door de microscoopduidelijk zichtbaar kleurpatroon (Sci-ence, 22 oktober 2004).

STERKE MAGNEET De echte doorbraakvolgde in 2005 nadat Geim en Novo-selov hun grafeen hadden meegeno-men naar het sterke magnetenlabora-torium in Nijmegen. Met de ultra-sterke magneten daar toonden zij aandat de velletjes inderdaad over de bij-zondere elektrische eigenschappenbeschikten die Wallace zestig jaar eer-der al had berekend (Nature, 10 no-vember 2005).Simpel gezegd komt het hierop neer.Elk koolstofatoom heeft vier pootjes(elektronen) waarmee het aan buur-atomen kan koppelen, maar in gra-feen gebruikt het er slechts drie voorbindingen met nabuuratomen. Hetvierde pootje steekt omhoog en zorgtzo voor een elektron aan het grafeen-oppervlak.

ze fysici zich op het materiaal, onderwie Vandersypen en Beenakker.En nu? Steeds blijkt grafeen weer eenof andere eigenschap te hebben diehet uitermate geschikt maakt voor ditof dat specifieke experiment. VoorVandersypen was het bijvoorbeeldheel handig dat je gemakkelijk elek-trische contactjes kunt aanleggen aangrafeen. Zo kon hij met collega’s aan-tonen dat door grafeen superstromengaan lopen wanneer je het tussenstukjes supergeleidend materiaal legt(Nature, 1 maart 2007).Daarnaast onderzoekt Vandersypenhoe je grafeen kunt gebruiken voorquantumcomputers. Als promoven-dus in Stanford in de Verenigde Sta-ten deed hij een paar jaar geleden deingewikkeldste quantumberekeningooit op de kleinste quantumcompu-ter ooit: hij ontbond het getal 15 infactoren. In Delft onderzoekt hij nuof je met grafeen grotere en beterequantumcomputers kunt maken.Daartoe maakt Vandersypen quan-tumdots van grafeen, goed ontwor-pen kuiltjes zeg maar, waarin je juistéén enkel elektron kan opsluiten. Derichting waarin zo’n opgesloten elek-tron tolt (rechtsom of linksom) geeftsteeds de waarde van een bit (de ‘0’ ofde ‘1’ waarmee computers rekenen).“En het hele mooie aan grafeen”, zegtVandersypen, “is dat het die draai-richting niet beïnvloedt, in tegenstel-ling tot de meeste andere materia-len.”

DNA-SLIERT Sinds kort werkt Vander-sypen aan nog een derde project: gra-feen gebruiken om er DNA mee uit telezen. Dat probeert hij samen met deDelftse hoogleraar Cees Dekker tedoen. “We hebben nu net laten ziendat je er een gaatje in kan boren, dat je

daar een DNA-sliert doorheen kantrekken, en dat je het DNA dan voorbijziet komen – aan de hand van elektri-sche signalen uit het grafeen.” Dekunst wordt nu om het grafeen toteen zo supergevoelige sensor te struc-tureren dat het DNA zelfs letter voorletter kan worden afgetast. De onge-bruikelijk gunstige elektrische eigen-schappen ervan staan dat in principetoe, zegt Vandersypen.“Grafeen is echt een materiaal van su-perlatieven. In publiekspraatjes somik vaak het lijstje op dat ik van AndreGeim heb overgenomen: grafeen ge-leidt warmte beter dan welk materi-aal ook; het geleidt elektrischestroom beter dan welk materiaal ook;het is sterker dan welk materiaal ookén het is transparant. Die combinatievan ongewone eigenschappen maakthet zo veelzijdig en speciaal.”

NANOMACHIENTJE In Leiden kijkt the-oreticus Beenakker daar iets anderstegenaan. “Je moet al die eigenschap-pen niet overdrijven”, zegt hij. “Hetmateriaal zelf is best saai.”Beenakker heeft iets anders van Geimovergenomen: diens vergelijking vangrafeen met plastic. “Plastic is ookbest saai. Maar het gedraagt zich goeden leent zich voor van alles en nogwat. Met grafeen is het net zo: het issterk, het is niet giftig, het is goed-koop, het is overal voorhanden, jekunt er gaatjes in boren, het op ande-re manieren bewerken.... Je kunt er,kortom, alle kanten mee op. Over zes-tig jaar zal je het dus net als plasticwaarschijnlijk op allerlei plaatsen te-rugvinden. Het is hét materiaal vande toekomst.”Grafeen lijkt bijvoorbeeld een prach-tig bouwsteentje voor allerlei nano-machientjes. Nu al is het gelukt om er

Andre Geim (51) enKonstantin Novo-selov (36) kregenallebei een gede-gen natuurkun-de-opleiding inRusland. Daarnatrokken ze naarhet westen waarze, zeggen colle-ga’s, hun kansengoed benutten.Zoals in het sterkemagnetenlab inNijmegen en laterin Manchester,waar ze ‘hun’ graf-

een ontdekten.Jan Kees Maan, di-recteur van hetsterke magneten-lab in Nijmegen,kent ze goed.Geim was univer-sitair hoofddo-cent in Nijmegen(van 1994 tot 2001),en Novoselov pro-moveerde bijMaan (in 2003,met Geim als co-promotor). “Zevullen elkaar goedaan. Geim is ex-

travert; hij is deman met de wildeideeën die de fysi-sche implicatiesvan resultatenheel snel door-grondt. Kostya(Novoselov) is nietzo extravert, hij isvriendelijk, aar-dig en een briljantexperimentatordie heel goedhoofd- en bijza-ken kan scheiden.Zonder hem washet nooit gelukt.”

De Delftse hoogle-raar Lieven Van-dersypen komt detwee geregeld opcongressen tegen.“Echte Russen,soms een beetjestug en onhandigzelfs, maar heelsympathiek, ge-weldig creatief enheel open overhun resultaten. Zehouden niks ach-ter. Dat is eenprachtige weten-schappelijke hou-

ding .”De Nijmeegsehoogleraar Mik-hail Katsnelson is‘erg trots’ op zijncollega’s. Sinds ditjaar is Geim bij-zonder hoogle-raar in zijn groep.Maar, zegt Kat-snelson, “het waste verwachten. Ie-dereen wist dat deNobelprijs vroe-ger of later naarhen zou gaan.”Veel genoemd zijn

ten slotte al dezwevende kikkeren de gekkotape –voorbeelden vanhet gekke onder-zoek, van de‘grappen en grol-len’ waar Geim zovan houdt, waarNovoselov graagaan meedoet, endie anderen zienals een motor ach-ter hun creativi-teit.

Over zestig jaar vind je grafeen

overal terug, net als plastic nu

Not so!’ Met grafeen hebben fysici na-melijk het ultimate flatland in handen:platter dan grafeen bestaat niet.De twee Russen moesten dat nog welbewijzen. “Op papier bestond gra-feen al lang”, zegt Carlo Beenakker.In 1947 beschreef de Canadese fysicusPhilip Wallace het materiaal en de bij-zondere elektrische eigenschappenervan (Physical Review, mei 1947).“Maar dat het werkelijk gemaakt konworden, en kon blíjven bestaan zon-der uit elkaar te vallen, te scheuren ofzichzelf op te rollen, dat geloofde nie-mand. Ik kan een hele trits artikelenopnoemen uit de jaren vlak voor deontdekking waarin simpelweg staat:it can not exist in nature. En ja, als ik erover nadenk dan vind ik het idee dathet wél bestaat, nog steeds absurd.”

ONDERGROND Geim en Novoselovmoesten hun collega’s daarom van dejuistheid van hun vondst overtuigen.De snelste manier om te laten zien datgrafeen werkelijk grafeen is, is doorhet neer te leggen op een ondergrondvan siliciumoxide, maar dat was toen

FO

TO

RE

UT

ER

S

Samen gedragen die elektronen zichdaarna in die platte en uiterste sym-metrische wereld als een ‘tweedimen-sionaal elektronengas’. Ze bewegener vrij en zoals lichtdeeltjes. Dus alsofze geen massa hebben en met eensnelheid die constant is, en hoog: 1000kilometer per seconde – ‘s l e ch t s ’ 300keer minder dan de lichtsnelheid.Daarmee verschilt grafeen van alleandere geleidende materialen, waar-in de snelheid van elektronen juistvan hun omgeving afhangt. Dat zorgtvoor bijzondere fenomenen: zo is gra-feen het enige materiaal waarin hetquantum-Halleffect, een quantum-mechanisch verschijnsel dat samen-hangt met de elektrische geleiding ineen materiaal, al bij kamertempera-tuur zichtbaar wordt.“Toen Novoselov en Geim in 2005 óókdat bijzondere gedrag van de elektro-nen en dat quantum-Halleffect wis-ten aan te tonen, werd wereldwijd fy-sici de ogen geopend”, zegt de Delftsehoogleraar Vandersypen. “Het wasdus echt waar.”Binnen een paar weken stortten tallo-

ter

Wat is grafeen?Grafeen is het dunste materiaal dat erbestaat. Het is maar één atoom dik. Hetbestaat uit koolstofatomen die ieder aandrie buuratomen zijn gebonden en zo eensoort atomair kippengaas vormen.

Waarom is grafeen zo bijzonder?Omdat het zo onvoorstelbaar dun is, entoch niet scheurt of oprolt. Bovendienovertreft het alle andere materialen inwarmtegeleiding, elektrische geleiding ensterkte. En het is doorzichtig. Diecombinatie van eigenschappen maakt hetuitzonderlijk veelzijdig.

Wordt het nog altijd met hulp vanplakband gemaakt?In onderzoekslaboratoria wel. Daarvolstaan minieme stukjes grafeen. Meerplechtig heet de plakbandmethodetrouwens: ‘mechanische exfoliatie’.Toepassingen vergen natuurlijkgrootschalige productiemethoden.Daaraan wordt ook in Nederland – inGroningen, Leiden en Delft – hardgewerkt.

Wat zijn die nieuwe productiemethoden?Eén manier is om siliciumcarbide teverhitten. Het bovenste silicium verdampten op het siliciumcarbide (de ondergrond)blijft een toplaagje achter vankoolstofatomen die zich rangschikken totgrafeen.Een andere manier is om methaan overeen metaaloppervlak zoals nikkel teblazen. Het koolstof uit het methaan slaatneer en rangschikt zich weer tot grafeen.Daar leggen fysici dan een geschikteondergond op, zoals siliciumoxide,waarna ze het nikkel (dat de elektrischeeigenschappen van grafeen verstoort) aande andere kant juist wegetsen.

Wordt grafeen al ergens toegepast?Nog niet. De eerste toepassing iswaarschijnlijk in touch scr eens. Grafeenleent zich daarvoor omdat het transparantis en vanwege de gunstige elektrischeeigenschappen. Verder luistert het in eentouch screen niet zo nauw of grafeenwerkelijk overal enkellaags is. Hier endaar een dubbele of driedubbele laag kangeen kwaad – dat maakt het makkelijker.

Wanneer volgen andere toepassingen?Volgens experts zien sommigetoepassingen pas over decennia het licht.Maar over zestig jaar zullen we grafeenmisschien wijd en zijd terugvinden: insterke, warmtebestendige plastics invliegtuigen en auto’s, in apparatuur omvliegensvlug DNA af te lezen, innanomotortjes en sensoren en inrazendsnelle computers.

Is de Nobelprijs zo niet te vroeg vergeven?Je kunt ook zeggen: precies op tijd. Zestigjaar geleden werd grafeen op papier – intheorie dus – ontdekt. Over zestig jaarwordt het wellicht allerwegen toegepast.De prijs valt daar midden tussenin.

een trillend veertje van te maken, eenveertje dat maar één atoom dik is dus.Over een paar jaar komen daar mis-schien minuscule motortjes bij en hy-pergevoelige sensoren.Op de schaal van alledag kan grafeen,bijgemengd in plastics, die plasticssterker maken en warmtebestendigof elektrisch geleidend. En een veelgenoemde toepassing is natuurlijk intransistoren voor op computerchips:doordat elektronen veel sneller doorgrafeen bewegen dan door siliciumen andere materialen, zijn ook tran-sistoren van grafeen heel veel sneller.“Kijk, computers worden tegenwoor-dig alleen nog maar krachtiger, door-dat er meer processoren op een chipworden gepropt. Maar sneller wor-den ze al een paar jaar niet meer. Metsnelle transistoren van grafeen, ofmet quantumcomputers van grafeen,kan de rekensnelheid in de toekomstwél verder omhoog”, zegt Beenakker,

die hieraan de afgelopen vijf jaar veelrekenwerk besteedde.Hoe kijken Novoselov en Geim daarzelf tegenaan? In Physics Today begonGeim zijn paragraaf over toepassin-gen met een kanttekening. ‘Stel dat jeeen boottocht maakt om dolfijnen tebekijken. Iedereen kijkt als gehypno-tiseerd naar de schitterende dierentotdat iemand het moment bederftmet de onromantische vraag: ‘Maarkunnen we ze eten?’De meeste onderzoekers, zo wilde hijmaar zeggen, zijn voorlopig ‘ontzet-tend gelukkig’ met alleen maar het

‘bestuderen en begrijpen van ditwonderlijke nieuwe materiaal’.Een beetje gechargeerd is dat wel,want ook Novoselov en Geim doen al-lerlei metingen die van belang zijnvoor toepassingen. Maar daar boven-op maken ze inderdaad nog steedsnieuwe kanten van grafeen zichtbaar.Een paar jaar geleden slaagden ze er,met collega’s uit Nijmegen en Stutt-gart, bijvoorbeeld in om een vrij zwe-vend velletje grafeen te maken, opge-hangen aan een gouden haakje (Natu-re, 1 maart 2007). Daarin, schreefGeim, kunnen we nu misschien ook

‘de rijke wereld van zachte membra-nen’ bestuderen.Ook theoretisch fysicus Mikhail Kat-snelson denkt dat er aan grafeen noggenoeg te ontdekken valt. Hij is hoog-leraar in Nijmegen en werkt sinds detweede grafeenpublicatie samen metNovoselov en Geim. Die laatste issinds dit jaar ook bijzonder hoogle-raar in zijn groep. “En zeker”, zegtKatsnelson, “de echte doorbraak wasexperimenteel. Maar aan grafeen wasook veel theoretisch werk te doen, endat blijft nog wel even zo. Voorlopiglaat ik grafeen niet los.”.

ter

ILLUSTRATIE ROLAND BLOKHUIZEN

ZEVEN KEER GRAFEEN

NH

09-10-10 katern 4 pagina 08