(PhysOrg.com) -- In de 19e-eeuwse roman, Vlak land, door Edward A. Abbott, inwoners van dat fictieve land bestaan ​​in slechts twee dimensies. Vrouwen worden geboren als lijnsegmenten, terwijl mannen komen in een reeks geometrische vormen die hun rang weerspiegelen, van nederige gelijkbenige driehoeken, tot middenklasse pleinen, tot zeshoekige zeshoeken, gereserveerd voor de adel.

De beperkingen van het leven op een plat vlak weerspiegelen op satirische wijze de rigide Victoriaanse klassenstructuur van Abbotts tijd. Wanneer de verteller van het verhaal een derde dimensie ontdekt, hoogte, hij probeert dit bevrijdende concept over te brengen op mede-Flatlanders, en belandt in de gevangenis.

grafeen, een levensechte versie van Flatland, bestaat uit rij na rij zeshoekige ringen van koolstofatomen die aan elkaar zijn gepast in een vlak honingraatpatroon van slechts één atoom dik.

Deze atomaire schaal maakt grafeen onderdeel van de nanowereld, waar voorwerpen die duizend keer dunner zijn dan een mensenhaar niet langer de bekende natuurwetten als wrijving en zwaartekracht volgen.

Net zoals de verteller van Flatland boven zijn beperkte bestaan ​​uitstijgt om het leven in een andere dimensie te ervaren, objecten op nanoschaal gehoorzamen aan een nieuwe reeks regels:de "spookachtige" wetten van de kwantummechanica.

Quantum eigenaardigheden

Een van de meest opwindende kwantummechanische effecten in grafeen is de hoge snelheid waarmee elektronen er doorheen kunnen stromen vanwege een gebrek aan wrijving. Dit zogenaamde "ballistische" transport zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie supersnelle, superefficiënte elektronica.

In aanvulling, voor zijn grootte, grafeen is sterker en flexibeler dan staal. Het geleidt warmte 10 keer sneller dan koper en kan er 1 dragen. 000 keer de dichtheid van elektrische stroom als koperdraden.

In feite, de structuur van grafeen geeft het vele unieke optische, thermisch, mechanische en elektrische eigenschappen, opwindende ingenieurs en wetenschappers over de hele wereld met grootse nieuwe mogelijkheden voor allerlei toepassingen.

Grafeen laten groeien

Grafeen werd ontdekt door vroege 20e-eeuwse wetenschappers die naar gewoon grafiet keken met behulp van röntgenspectroscopie. Hoewel ze konden zien dat het grafiet was samengesteld uit een stapel afzonderlijke grafeenlagen, niemand zag destijds iets in voor deze ultradunne lagen.

In de jaren 1990, wetenschappers leerden hoe ze koolstofnanobuisjes (CNT's) konden maken, die klein zijn, opgerolde buizen van koolstofatomen gerangschikt in hetzelfde hexagonale kippengaaspatroon als grafeen.

Pas in 2004 maten wetenschappers de elektronische eigenschappen van dunne lagen grafeen nadat ze schilfers grafietpotlood uit elkaar hadden gehaald met behulp van transparante tape. Maar deze vervelende methode om grafeen te maken zou nooit werken voor een commercieel levensvatbaar product.

Silicium overtreffen

In de tussentijd, Georgia Tech-wetenschappers Walter de Heer, Claire Berger (ook aangesloten bij CNRS, Frankrijk) en Phillip First hadden met CNT's gewerkt. Ze hoopten de buizen op nanoschaal te gebruiken om de volgende generatie micro-elektronische componenten te versnellen die de capaciteit van siliciumelektronica zouden overtreffen.

Maar hoewel CNT's ballistische elektronentransportsnelheid hadden, ze waren moeilijk te assembleren tot geïntegreerde schakelingen.

In 2001, de Heer dacht dat misschien tweedimensionaal grafeen ook als elektronisch materiaal zou kunnen worden gebruikt, omdat het de basis is van koolstofnanobuisjes. Dat jaar, hij diende een onderzoeksvoorstel in bij de National Science Foundation (NSF) voor een subsidie ​​om het gebruik van grafeen in elektronica te bestuderen.

De Heer en zijn team kwamen op het idee om een ​​platte laag grafeen te laten groeien precies waar het op een chip zou worden gebruikt, en in de exacte maat en vorm die nodig is, zodat het vooraf in een elektrisch apparaat kan worden geïntegreerd. Dit zou veel gemakkelijker zijn dan het produceren van de delicate CNT's, verplaatsen naar een andere plek, en sluit ze vervolgens met een metalen draad aan op een circuit.

Eerste grafeen patent

In 2003, het Georgia Tech-team was de eerste die een patent indiende voor een proces voor het maken van eenvoudige elektronische apparaten met behulp van grafeen dat epitaxiaal is geproduceerd (epitaxiaal betekent dat er een laag van de ene stof op een ander materiaal wordt aangebracht, zodat beide materialen dezelfde structurele oriëntatie hebben).

De basismethode van het team was om een ​​kristallijne wafel van siliciumcarbide (SiC) te verhitten tot hoge temperaturen (hoger dan 1100 C). Bij die temperatuur, de siliciumatomen verdampten van het oppervlak en lieten alleen koolstofatomen achter, die zichzelf herschikten in het bekende kippengaaspatroon van grafeen.

Epitaxiaal grafeen kan op verschillende ondersteunende materialen worden gekweekt, afhankelijk van waar het voor gebruikt wordt. Een groot voordeel van epitaxiaal grafeen is dat het dezelfde soorten chemische processen gebruikt die ontwikkelaars al gebruiken om op silicium gebaseerde elektronica te maken.

"Het is meer dan alleen het grafeenmateriaal hebben, "De Heer zei. "Het is eigenlijk het hebben van het platform en de verwerkingstechnieken die parallel zouden worden ontwikkeld."

Sinds hun eerste voorstel, de Heer en zijn team, gefinancierd door NSF via het Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), zijn doorgegaan met het ontvangen van andere patenten en publiceren tientallen onderzoekspapers over epitaxiaal grafeen voor elektronica. In 2010, de Heer ontving de MRS-medaille van de Materials Research Society voor zijn baanbrekende bijdragen aan de wetenschap en technologie van epitaxiaal grafeen.

Grafeen maakt het sterker

De superieure elektronische eigenschappen van grafeen zijn niet het enige sterke punt. Nikhil Koratkar, hoogleraar mechanische, lucht- en ruimtevaarttechniek aan het Rensselaer Polytechnic Institute, gebruikt vellen grafeen om keramische composieten te versterken voor moeilijke omgevingen zoals de ruimte.

"Ik ben erg geïnteresseerd in het ontwikkelen van praktische toepassingen van nanomaterialen, zoals grafeen en koolstofnanobuizen, " zei Koratkar. "Nanocomposieten zijn zo'n toepassing die een grote impact kan hebben."
Koratkar werkt samen met Erica L. Corral, assistent-professor aan de afdeling materiaalkunde en engineering van de Universiteit van Arizona, en specialist in keramische composieten.

Voordat Koratkar en Corral samenwerkten, grafeen werd gebruikt in polymeercomposieten, maar nooit in keramiek om de mechanische sterkte te verbeteren. Keramiek behoort tot de meest hittebestendige materialen ter wereld, maar ze zijn meestal erg broos.

Scheuren voorkomen

Op zoek naar iets om toe te voegen aan keramische composieten dat barsten zou voorkomen, de wetenschappers kozen grafeen vanwege zijn mechanische sterkte, oppervlakte en geometrie. "Grafeen vertoont opmerkelijke stijfheid en sterkte, "Zei Koratkar. "En ook al is het maar nanometer dik, het wordt geleverd in platen die groot genoeg zijn om zich tijdens het sinterproces dat wordt gebruikt om keramiek te vervaardigen stevig om keramische korrels gewikkeld en verankerd."

De resultaten van het onderzoek van Koratkar en Corral waren bemoedigend. "We hebben aangetoond dat grafeen siliciumnitride-keramiek met meer dan 200 procent kan versterken, " zei hij. "De reden voor deze taaiheid is dat de tweedimensionale grafeenplaten in staat zijn om zich voortplantende scheuren in niet alleen twee maar in drie dimensies af te buigen."

Koratkar en Corral, ondersteund door subsidies van NSF, zal het gebruik van grafeen in andere soorten keramiek blijven onderzoeken en de prestaties van het composiet met hogere percentages grafeen bestuderen.

"De toekomst van grafeen in keramiek zou moeten resulteren in een nieuw veld van materiaalonderzoek en composietsystemen dat veel geavanceerder is dan de eendimensionale versterkingssystemen die we tot nu toe hebben gebruikt, ' zei Corral.

De grafeenindustrie in kaart brengen

Met zoveel grafeenonderzoek in een groot aantal industrieën, het is moeilijk om bij te houden. Maar Jan Youtie, een sociaal wetenschapper en hoofdonderzoeker bij het Enterprise Innovation Institute van Georgia Tech, samen met haar collega Philip Shapira, professor aan de Georgia Tech's School of Public Policy en de Universiteit van Manchester, doen precies dat.

De onderzoekers gebruiken een proces genaamd "real-time technology assessment" (RTTA) om de sociale, Moreel, politieke en economische dynamiek van de nanotechnologie-industrie, inclusief grafeen. Om dit te doen, ze verzamelen alle octrooiaanvragen en elk wetenschappelijk artikel over grafeen in een database.

"Grafeen heeft een steil traject doorgemaakt in termen van onderzoeksoutput en ontdekkingen, " zei Youtie. "Dit traject is zelfs vroeger en steiler dan we hebben gezien met betrekking tot andere nanotechnologieën."

Het onderzoek van Youtie en Shapira wordt gefinancierd door NSF via het Center for Nanotechnology in Society aan de Arizona State University (CNS-ASU), die onderzoeksprogramma's over verschillende universiteiten verenigt. Ze hebben ontdekt dat Atlanta, waar Georgia Tech is gevestigd, is een van de toonaangevende knooppunten van grafeenonderzoek ter wereld, op basis van het totaal aantal publicaties.

Globaal grafeen

"Er zijn bijna 200 bedrijven, waaronder grote multinationale ondernemingen en kleine startende bedrijven die betrokken zijn geraakt bij het grafeendomein, Youtie zei. "Dit betekent dat nieuwe toepassingen worden overwogen terwijl het onderzoek nog loopt."

Alleen in het afgelopen jaar, Youtie heeft patenten geregistreerd voor het gebruik van grafeen in een alcohol-brandstofbatterij, Bakeliet™ poedervuller, organische enige kristaltransistors, gecontroleerde drugversiesystemen, kleurstofgevoelige zonnecellen, afvalwater verven, dunne film composieten/geleidende composieten/polymeer composieten/kunststof-hout composieten, waterbestendige vezelraad, metaalschuim, batterij kathode materiaal, printen en een protonenuitwisselingsmembraan brandstofbatterij.

"Er is wereldwijde deelname aan grafeenonderzoek en commercialisering, en de topbedrijven zijn grote bedrijven uit Korea en Japan, met Amerikaanse bedrijven aanwezig, maar niet zo gangbaar, " zei Youtie. "De internationalisering in dit domein weerspiegelt de transcendentie van nanotechnologie in het algemeen over de landsgrenzen heen."