‘s Werelds eerste 2D-materiaal is meer 3D dan gedacht. Grafeen, dat slechts uit een enkele laag koolstofatomen bestaat, blijkt een dikte te hebben.
Grafeen bestaat uit koolstofatomen die gerangschikt zijn in een kippengaasstructuur. Natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov onderzochten en produceerden het materiaal in 2004. Ze pelden hiervoor grafiet, waar onder andere de stift van een potlood uit bestaat, laagje voor laagje af met een stukje plakband. Het dunst mogelijke laagje dat de onderzoekers van het grafiet afgepeuterd kregen, is grafeen.
Een grafeenlaagje heeft ongekende eigenschappen. Het is sterker dan staal, transparant en flexibel. Bovendien geleidt het warmte en elektriciteit uitzonderlijk goed. Geim en Novoselov wonnen in 2010 dan ook de Nobelprijs voor het onderzoek naar dit ‘wondermateriaal’.
Uitstekende elektronen
Zo’n dun laagje grafeen blijkt nu minder dun dan gedacht, zo ontdekten onderzoekers van de Queen Mary University of London. ‘Grafeen wordt een 2D-materiaal genoemd omdat de koolstofatomen in een 2D-vlak liggen’, zegt natuurkundige Yiwei Sun van de Queen Mary University of London. ‘Maar een grafeenlaag heeft elektronen die zich boven en onder dit 2D-vlak bevinden.’ Die elektronen leveren een weerstand als je het materiaal probeert samen te persen. Hierdoor krijgt het materiaal een meetbare dikte.
De onderzoekers maten deze dikte door een los stukje grafeen samen te persen. Met een lasertechniek genaamd ramanspectroscopie bepaalden ze hoeveel dunner het grafeenplakje wordt als er van boven en onderaf op gedrukt wordt.
Net als bij grafiet
Grafiet bestaat uit laagjes grafeen die niet erg stevig met elkaar verbonden zijn. Daardoor brokkelt een potlood gemakkelijk af. Dat zorgt ervoor dat grafiet snel dunner wordt als je die laagjes op elkaar drukt. Grafeen blijkt bij dezelfde hoeveelheid druk even snel dunner te worden.
Ook bij krachten uit andere richtingen gedragen de spanning en elasticiteit van het superdunne materiaal zich op bijna dezelfde manier als bij grafiet. ‘Dus we moeten grafeen, net als grafiet, echt zien als een 3D-materiaal, niet als 2D’, zegt Sun.
Vellen papier
De onderzoekers bepaalden vervolgens de dikte van een laagje grafeen. Dat deden ze door simpelweg te tellen hoeveel laagjes grafeen er in één stukje grafiet zitten en dat te delen door de dikte van het grafiet. Net zoals je ‘de dikte van één vel papier meet door de dikte van honderd opgestapelde vellen te meten en die te delen door honderd’, schrijven ze.
Via deze berekening komen de onderzoekers uit op een dikte van ongeveer 0,34 nanometer (0,34 miljoenste millimeter). Dat is vijf keer dikker dan eerdere schattingen, waarbij de eigenschappen gemeten werden door grafeen vast te maken op een ondergrond. ‘Het grafeen reageert dan op dezelfde manier als de ondergrond’, zegt Sun. Daardoor verdwijnt het effect van de buitenste elektronen en dus ook de dikte van het grafeen.
Door het grafeen los te meten, weten we nu dat we de conventionele 3D-modellen en -theorieën kunnen gebruiken om het gedrag van 2D-materialen, zoals grafeen te beschrijven, stelt Sun.
