Grafeen
Grafeen is een van de vormen van koolstof. Net als diamanten en grafiet hebben de vormen (of 'allotropen') van koolstof verschillende kristalstructuren, waardoor ze verschillende eigenschappen hebben. Grafeen is de 2D-basisvorm (tweedimensionaal) van een aantal 3D-allotropen, zoals grafiet, houtskool, fullereen en koolstofnanobuizen.
De term grafeen werd bedacht als een combinatie van grafiet en het achtervoegsel '-een' door Hanns-Peter Boehm, die in 1962 koolstoffolies met één laag beschreef. Grafeen is als een honingraat of 'kippengaas'-structuur, gemaakt van koolstofatomen en hun bindingen. Grafiet is een groot aantal op elkaar gestapelde vellen grafeen.
Drie miljoen grafeenvellen gestapeld tot grafiet zouden slechts één millimeter dik zijn.
De Nobelprijs voor natuurkunde voor 2010 is toegekend aan Sir Andre Geim en Sir Konstantin Novoselov "voor baanbrekende experimenten met betrekking tot het tweedimensionale materiaal grafeen".
Supercondensatoren van grafeen behoren tot de mogelijke toepassingen.
Grafeen is een honingraatrooster op atomaire schaal van koolstofatomen.
Grafeenoxide
Een internationaal team van de Universiteit van Manchester heeft een membraan van grafeenoxide gemaakt. Het bleek vele gassen en vloeistoffen tegen te houden, maar water door te laten. Sir Andre Geim zei: "Heliumgas is moeilijk tegen te houden. Het lekt langzaam, zelfs door een millimeter dik vensterglas, maar onze ultradunne films houden het volledig tegen. Tegelijkertijd verdampt water er ongehinderd doorheen. Materialen kunnen zich niet vreemder gedragen".
Laatste idee
Membranen van grafeen zijn goede kogelvangers. Uit onderzoek blijkt dat een atoomdik laagje een treffer beter absorbeert dan staal. Het onderzoeksteam suggereert dat het combineren van grafeen met een of meer andere materialen om een composiet te vormen wel eens de juiste weg zou kunnen zijn.
Grafeen batterijen
1. Interne structuur
De interne structuur van een grafeen-accu lijkt sterk op die van een standaard lithium-ion-accu. Er zijn 2 elektroden en een elektrolytoplossing om de laadstroom mogelijk te maken. Het verschil is dat één van de elektroden in op grafeen gebaseerde accu's, meestal de kathode, wordt vervangen door een hybride composietmateriaal (vast metaal + grafeen) dat wordt gebruikt in plaats van een standaard vast metaal.
2. Voordelen
Kleinere, slankere batterij: Omdat grafeen een tweedimensionaal materiaal is, bestaat het slechts uit één laag atomen. Om dit beter te begrijpen: als je 3 miljoen lagen grafeen stapelt, krijg je 1 mm dikte. Dit betekent dat grafeen smartphones slanker dan ooit kan maken en meer ruimte biedt voor extra elektronica en het mogelijk maakt om batterijen met een hogere capaciteit te plaatsen.
Hogere capaciteit: Grafeen heeft een hogere energiecapaciteit voor dezelfde grootte dan lithium-ionbatterijen. Terwijl van lithium-ion-accu's bekend is dat ze tot 180 Wh per kilogram kunnen opslaan, kunnen grafeen-accu's tot 1000 Wh per kilogram opslaan. Een grafeenbatterij van hetzelfde formaat heeft dus een hogere laadcapaciteit dan lithium-ion of andere veelgebruikte batterijen.
Snellere oplaadtijden: Grafeen is een uitstekende geleider van elektriciteit. Zijn tweedimensionale honingraatstructuur biedt geen weerstand tegen de elektronenstroom. Het kan dus snel opladen en biedt ook een groter uithoudingsvermogen dan lithium-ionbatterijen.
Octrooien voor grafeen
De uitvinding van grafeen heeft geleid tot vele octrooien voor de praktische toepassing ervan. In 2013 was de score:
- Chinese entiteiten: 2.204
- Amerikaanse entiteiten: 1,754
- Zuid-Koreaanse entiteiten: 1,160
- entiteiten van het Verenigd Koninkrijk: 54
De Zuid-Koreaanse elektronicagigant Samsung is het bedrijf met de meeste grafeenoctrooien op zijn naam.
Vragen en antwoorden
V: Wat is grafeen?
A: Grafeen is een van de vormen van koolstof, met een tweedimensionale honingraat- of 'kippengaas'-structuur die bestaat uit koolstofatomen en hun bindingen.
V: Wat is de relatie tussen grafeen en grafiet?
A: Grafiet bestaat uit vele op elkaar gestapelde grafeenvellen - drie miljoen op elkaar gestapelde grafeenvellen om grafiet te vormen zouden slechts één millimeter dik zijn.
V: Wie heeft de term grafeen bedacht?
A: De term 'grafeen' is in 1962 bedacht door Hanns-Peter Boehm als een combinatie van grafiet en het achtervoegsel '-ene'.
V: Waarvoor hebben Sir Andre Geim en Sir Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor Natuurkunde 2010 gewonnen?
A: Sir Andre Geim en Sir Konstantin Novoselov hebben de Nobelprijs voor natuurkunde 2010 gewonnen "voor baanbrekende experimenten met het tweedimensionale materiaal grafeen".
V: Wat zijn enkele mogelijke toepassingen van grafeen?
A: Mogelijke toepassingen van grafeen zijn onder meer supercondensatoren.
V: Welke andere vormen of allotropen van koolstof bestaan er naast grafeen?
A: Andere vormen of allotropen van koolstof naast grafeen zijn diamant, grafiet, houtskool, fullereen en koolstofnanobuisjes.
