NH 091010 katern 4 pagina 08 E...
1
bestaat niet De Nobelprijs natuurkunde ging deze week naar grafeen: plat, maar o zo veelzijdig. Margriet van der Heijden WIE ZIJN ANDRE GEIM EN KONSTANTIN NOVOSELOV? E en Nobelprijs maakt een vakgebied hot. Al- leen: “Hotter dan het al was, kan het onderzoek aan grafeen niet meer worden”, zegt Lieven Vandersypen. Quantumfysicus Vandersypen is hoogleraar in Delft en kreeg in 2008 een subsidie van 1,3 miljoen euro van de Europese Unie. Daarmee bestu- deert hij (onder meer) grafeen: het materiaal dat sinds de bekendmaking van de Nobelprijs natuurkunde nog hotter is dan het al was. Of niet dus. Vandersypen onderzoekt of grafeen de grondstof kan zijn voor de schake- lingen in toekomstige quantumcom- puters. Dat is één mogelijkheid die het veelzijdige materiaal biedt. Op andere plaatsen in de wereld worden andere eigenschappen en andere toe- passingen van grafeen bestudeerd. Vandersypen: “Ik heb het nog even opgezocht: wekelijks verschijnen er nu ongeveer vijftig grafeenpublica- ties in de vakbladen.” Toch werd het materiaal pas zo’n vijf jaar geleden ontdekt. PL AKBAND Het verhaal van de ont- dekking van grafeen is vaker verteld, maar te leuk om over te slaan. Bijna niks was er voor nodig: alleen plak- band en grafiet, het materiaal waar potloodpunten van gemaakt zijn. Nou ja, nog twee slimme Russen: No- belprijswinnaars Andre Geim (51, in het bezit van een Nederlands pas- poort) en Konstantin Novoselov (pas 36, met een Brits paspoort). Hun werkwijze is typerend voor de Russische 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 vijf jaar aan grafeen, met tien man en met ook al zo’n prestigieuze Europese subsidie. 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 wetenschap wordt tegenwoordig ook maar arm- zalig bedeeld, dus ze hadden toen echt nog niet veel apparatuur.” Dat een potloodpunt en een rolletje Scotch volstonden, is natuurlijk wel een beetje aangedikt. In werkelijk- heid werkten Geim en Novoselov met een blok zuiver grafiet, en in een schoon lab. In ScienceWatch beschreef Novoselov in 2008 hun methode. Zij leerden die terloops van een techni- cus uit hun lab, die demonstreerde hoe je een grafietoppervlak ‘schoon- maakt’: door het mogelijk vies gewor- den oppervlaktelaagje er met Scotchtape af te trekken. “Dat is het!”, wisten Novoselov en Geim meteen. Grafiet bestaat uit een stapeling van talloze velletjes grafeen – velletjes van maar één atoom dik en met de structuur van kippengaas. Ze worden bij elkaar gehouden door zogeheten Vanderwaalskrachten, die niet erg sterk zijn. Anders zou je met een pot- lood nooit grafietschilfers – het pot- loodstreepje – op papier kunnen ach- terlaten. Maar zelfs dunne potloodstreepjes zijn nog steeds vele grafeenlagen dik. Om enkellaags grafeen te verkrijgen volgden fysici daarom – voordat Geim en Novoselov hun slag sloegen – een ingewikkelde methode, waarbij ze plakjes grafiet steeds dunner maakten. Na jaren werk telden hun stapeltjes nog steeds zo’n honderd grafeenlagen, of negentig misschien. Met Scotch kon het sneller, dachten Geim en Novoselov. Geduldig vouwden zij steeds hun plakband dubbel en peuterden zo tel- kens meer laagjes van hun als eerste los geplukte schilfertjes af – tot wel twintig keer toe. En totdat enkellaags grafeen overbleef. ‘Op het eerste gezicht’, schreef Geim drie jaar later in Physics Today, ‘lijkt het misschien zo te zijn dat we voor het bestuderen van natuurkundige fenomenen vastzitten aan drie ruim- telijke dimensies en een tijddimensie. nog niet bekend. Alleen, zo zei Novo- selov in ScienceWatch : “Precies die on- dergrond hadden we in het lab liggen en we gebruikten die ook. Puur ge- luk!” Op het siliciumoxide, dat kleurig glanst als olie in een modderpoel, maakte het grafeen (via interferentie) een zwak, maar door de microscoop duidelijk zichtbaar kleurpatroon (Sci- ence, 22 oktober 2004). STERKE MAGNEET De echte doorbraak volgde 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 aan dat de velletjes inderdaad over de bij- zondere elektrische eigenschappen beschikten 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 voor bindingen met nabuuratomen. Het vierde pootje steekt omhoog en zorgt zo voor een elektron aan het grafeen- oppervlak. ze fysici zich op het materiaal, onder wie Vandersypen en Beenakker. En nu? Steeds blijkt grafeen weer een of andere eigenschap te hebben die het uitermate geschikt maakt voor dit of dat specifieke experiment. Voor Vandersypen was het bijvoorbeeld heel handig dat je gemakkelijk elek- trische contactjes kunt aanleggen aan grafeen. Zo kon hij met collega’s aan- tonen dat door grafeen superstromen gaan lopen wanneer je het tussen stukjes supergeleidend materiaal legt (Nature, 1 maart 2007). Daarnaast onderzoekt Vandersypen hoe je grafeen kunt gebruiken voor quantumcomputers. Als promoven- dus in Stanford in de Verenigde Sta- ten deed hij een paar jaar geleden de ingewikkeldste quantumberekening ooit op de kleinste quantumcompu- ter ooit: hij ontbond het getal 15 in factoren. In Delft onderzoekt hij nu of je met grafeen grotere en betere quantumcomputers kunt maken. Daartoe maakt Vandersypen quan- tumdots van grafeen, goed ontwor- pen kuiltjes zeg maar, waarin je juist één enkel elektron kan opsluiten. De richting waarin zo’n opgesloten elek- tron tolt (rechtsom of linksom) geeft steeds de waarde van een bit (de ‘0’ of de ‘1’ waarmee computers rekenen). “En het hele mooie aan grafeen”, zegt Vandersypen, “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 te lezen. Dat probeert hij samen met de Delftse hoogleraar Cees Dekker te doen. “We hebben nu net laten zien dat je er een gaatje in kan boren, dat je daar een DNA-sliert doorheen kan trekken, en dat je het DNA dan voorbij ziet komen – aan de hand van elektri- sche signalen uit het grafeen.” De kunst wordt nu om het grafeen tot een zo supergevoelige sensor te struc- tureren dat het DNA zelfs letter voor letter kan worden afgetast. De onge- bruikelijk gunstige elektrische eigen- schappen ervan staan dat in principe toe, zegt Vandersypen. “Grafeen is echt een materiaal van su- perlatieven. In publiekspraatjes som ik vaak het lijstje op dat ik van Andre Geim heb overgenomen: grafeen ge- leidt warmte beter dan welk materi- aal ook; het geleidt elektrische stroom beter dan welk materiaal ook; het is sterker dan welk materiaal ook én het is transparant. Die combinatie van ongewone eigenschappen maakt het zo veelzijdig en speciaal.” NANOMACHIENTJE In Leiden kijkt the- oreticus Beenakker daar iets anders tegenaan. “Je moet al die eigenschap- pen niet overdrijven”, zegt hij. “Het materiaal zelf is best saai.” Beenakker heeft iets anders van Geim overgenomen: diens vergelijking van grafeen met plastic. “Plastic is ook best saai. Maar het gedraagt zich goed en leent zich voor van alles en nog wat. Met grafeen is het net zo: het is sterk, het is niet giftig, het is goed- koop, het is overal voorhanden, je kunt 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 plastic waarschijnlijk op allerlei plaatsen te- rugvinden. Het is hét materiaal van de toekomst.” Grafeen lijkt bijvoorbeeld een prach- tig bouwsteentje voor allerlei nano- machientjes. Nu al is het gelukt om er Andre Geim (51) en Konstantin Novo- selov (36) kregen allebei een gede- gen natuurkun- de-opleiding in Rusland. Daarna trokken ze naar het westen waar ze, zeggen colle- ga’s, hun kansen goed benutten. Zoals in het sterke magnetenlab in Nijmegen en later in Manchester, waar ze ‘hun’ graf- een ontdekten. Jan Kees Maan, di- recteur van het sterke magneten- lab in Nijmegen, kent ze goed. Geim was univer- sitair hoofddo- cent in Nijmegen (van 1994 tot 2001), en Novoselov pro- moveerde bij Maan (in 2003, met Geim als co- promotor). “Ze vullen elkaar goed aan. Geim is ex- travert; hij is de man met de wilde ideeën die de fysi- sche implicaties van resultaten heel snel door- grondt. Kostya (Novoselov) is niet zo extravert, hij is vriendelijk, aar- dig en een briljant experimentator die heel goed hoofd- en bijza- ken kan scheiden. Zonder hem was het nooit gelukt.” De Delftse hoogle- raar Lieven Van- dersypen komt de twee geregeld op congressen tegen. “Echte Russen, soms een beetje stug en onhandig zelfs, maar heel sympathiek, ge- weldig creatief en heel open over hun resultaten. Ze houden niks ach- ter. Dat is een prachtige weten- schappelijke hou- ding.” De Nijmeegse hoogleraar Mik- hail Katsnelson is ‘erg trots’ op zijn collega’s. Sinds dit jaar is Geim bij- zonder hoogle- raar in zijn groep. Maar, zegt Kat- snelson, “het was te verwachten. Ie- dereen wist dat de Nobelprijs vroe- ger of later naar hen zou gaan.” Veel genoemd zijn ten slotte al de zwevende kikker en de gekkotape – voorbeelden van het gekke onder- zoek, van de ‘grappen en grol- len’ waar Geim zo van houdt, waar Novoselov graag aan meedoet, en die anderen zien als 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 wel bewijzen. “Op papier bestond gra- feen al lang”, zegt Carlo Beenakker. In 1947 beschreef de Canadese fysicus Philip Wallace het materiaal en de bij- zondere elektrische eigenschappen ervan (Physical Review, mei 1947). “Maar dat het werkelijk gemaakt kon worden, en kon blíjven bestaan zon- der uit elkaar te vallen, te scheuren of zichzelf op te rollen, dat geloofde nie- mand. Ik kan een hele trits artikelen opnoemen uit de jaren vlak voor de ontdekking waarin simpelweg staat: it can not exist in nature. En ja, als ik er over nadenk dan vind ik het idee dat het wél bestaat, nog steeds absurd.” ONDERGROND Geim en Novoselov moesten hun collega’s daarom van de juistheid van hun vondst overtuigen. De snelste manier om te laten zien dat grafeen werkelijk grafeen is, is door het neer te leggen op een ondergrond van siliciumoxide, maar dat was toen FOTO REUTERS Samen gedragen die elektronen zich daarna in die platte en uiterste sym- metrische wereld als een ‘tweedimen- sionaal elektronengas’. Ze bewegen er vrij en zoals lichtdeeltjes. Dus alsof ze geen massa hebben en met een snelheid die constant is, en hoog: 1000 kilometer per seconde – ‘slechts ’ 300 keer minder dan de lichtsnelheid. Daarmee verschilt grafeen van alle andere geleidende materialen, waar- in de snelheid van elektronen juist van hun omgeving afhangt. Dat zorgt voor bijzondere fenomenen: zo is gra- feen het enige materiaal waarin het quantum-Halleffect, een quantum- mechanisch verschijnsel dat samen- hangt met de elektrische geleiding in een materiaal, al bij kamertempera- tuur zichtbaar wordt. “Toen Novoselov en Geim in 2005 óók dat bijzondere gedrag van de elektro- nen en dat quantum-Halleffect wis- ten aan te tonen, werd wereldwijd fy- sici de ogen geopend”, zegt de Delftse hoogleraar Vandersypen. “Het was dus echt waar.” Binnen een paar weken stortten tallo- te Wat is grafeen? Grafeen is het dunste materiaal dat er bestaat. Het is maar één atoom dik. Het bestaat uit koolstofatomen die ieder aan drie buuratomen zijn gebonden en zo een soort atomair kippengaas vormen. Waarom is grafeen zo bijzonder? Omdat het zo onvoorstelbaar dun is, en toch niet scheurt of oprolt. Bovendien overtreft het alle andere materialen in warmtegeleiding, elektrische geleiding en sterkte. En het is doorzichtig. Die combinatie van eigenschappen maakt het uitzonderlijk veelzijdig. Wordt het nog altijd met hulp van plakband gemaakt? In onderzoekslaboratoria wel. Daar volstaan minieme stukjes grafeen. Meer plechtig heet de plakbandmethode trouwens: ‘mechanische exfoliatie’. Toepassingen vergen natuurlijk grootschalige productiemethoden. Daaraan wordt ook in Nederland – in Groningen, Leiden en Delft – hard gewerkt. Wat zijn die nieuwe productiemethoden? Eén manier is om siliciumcarbide te verhitten. Het bovenste silicium verdampt en op het siliciumcarbide (de ondergrond) blijft een toplaagje achter van koolstofatomen die zich rangschikken tot grafeen. Een andere manier is om methaan over een metaaloppervlak zoals nikkel te blazen. Het koolstof uit het methaan slaat neer en rangschikt zich weer tot grafeen. Daar leggen fysici dan een geschikte ondergond op, zoals siliciumoxide, waarna ze het nikkel (dat de elektrische eigenschappen van grafeen verstoort) aan de andere kant juist wegetsen. Wordt grafeen al ergens toegepast? Nog niet. De eerste toepassing is waarschijnlijk in touch screens. Grafeen leent zich daarvoor omdat het transparant is en vanwege de gunstige elektrische eigenschappen. Verder luistert het in een touch screen niet zo nauw of grafeen werkelijk overal enkellaags is. Hier en daar een dubbele of driedubbele laag kan geen kwaad – dat maakt het makkelijker. Wanneer volgen andere toepassingen? Volgens experts zien sommige toepassingen pas over decennia het licht. Maar over zestig jaar zullen we grafeen misschien wijd en zijd terugvinden: in sterke, warmtebestendige plastics in vliegtuigen en auto’s, in apparatuur om vliegensvlug DNA af te lezen, in nanomotortjes en sensoren en in razendsnelle computers. Is de Nobelprijs zo niet te vroeg vergeven? Je kunt ook zeggen: precies op tijd. Zestig jaar geleden werd grafeen op papier – in theorie dus – ontdekt. Over zestig jaar wordt het wellicht allerwegen toegepast. De prijs valt daar midden tussenin. een trillend veertje van te maken, een veertje 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 plastics sterker maken en warmtebestendig of elektrisch geleidend. En een veel genoemde toepassing is natuurlijk in transistoren voor op computerchips: doordat elektronen veel sneller door grafeen bewegen dan door silicium en 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 chip worden gepropt. Maar sneller wor- den ze al een paar jaar niet meer. Met snelle transistoren van grafeen, of met quantumcomputers van grafeen, kan de rekensnelheid in de toekomst wél verder omhoog”, zegt Beenakker, die hieraan de afgelopen vijf jaar veel rekenwerk besteedde. Hoe kijken Novoselov en Geim daar zelf tegenaan? In Physics Today begon Geim zijn paragraaf over toepassin- gen met een kanttekening. ‘Stel dat je een boottocht maakt om dolfijnen te bekijken. Iedereen kijkt als gehypno- tiseerd naar de schitterende dieren totdat iemand het moment bederft met de onromantische vraag: ‘Maar kunnen we ze eten?’ De meeste onderzoekers, zo wilde hij maar zeggen, zijn voorlopig ‘ontzet- tend gelukkig’ met alleen maar het ‘bestuderen en begrijpen van dit wonderlijke nieuwe materiaal’. Een beetje gechargeerd is dat wel, want ook Novoselov en Geim doen al- lerlei metingen die van belang zijn voor toepassingen. Maar daar boven- op maken ze inderdaad nog steeds nieuwe 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, schreef Geim, kunnen we nu misschien ook ‘de rijke wereld van zachte membra- nen’ bestuderen. Ook theoretisch fysicus Mikhail Kat- snelson denkt dat er aan grafeen nog genoeg te ontdekken valt. Hij is hoog- leraar in Nijmegen en werkt sinds de tweede grafeenpublicatie samen met Novoselov en Geim. Die laatste is sinds dit jaar ook bijzonder hoogle- raar in zijn groep. “En zeker”, zegt Katsnelson, “de echte doorbraak was experimenteel. Maar aan grafeen was ook veel theoretisch werk te doen, en dat blijft nog wel even zo. Voorlopig laat ik grafeen niet los.” . er ILLUSTRATIE ROLAND BLOKHUIZEN ZEVEN KEER GRAFEEN NH 09-10-10 katern 4 pagina 08
Transcript of NH 091010 katern 4 pagina 08 E...
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
![Angst, Grafeen en Denkbeelden over het begin 1... · Grafeen Hoofdstuk 3. Grafeen ] Z } } ( µ l Z ] i L ] v Á o v Z } v Ì } l Z u Z' ( v [ X Paragraaf 3.1 gaat dieper in op wat](https://static.fdocuments.nl/doc/165x107/60e49c87f3b85e1e9e6770a4/angst-grafeen-en-denkbeelden-over-het-begin-1-grafeen-hoofdstuk-3-grafeen.jpg)
