Nanomaterialen en nanostructuren kom je overal tegen.
Kijk eens naar de vleugel van een libel.
Als we 100.000 keer inzoomen
en naar de transparante membraan kijken,
kunnen we de nanostructuren zien
die onzichtbaar zijn voor het blote oog.
Grafeen is transparant.
Dit is een moleculair model van grafeen.
Om dit zichtbaar te maken,
is het meer dan 280 miljoen keer vergroot.
Grafeen bestaat uit slechts één soort atomen:
koolstof.
Het is zo simpel.
Maar grafeen heeft veel bijzondere eigenschappen.
Het is het dunste van alle materialen, slechts één atoom dik.
Het is het sterkste materiaal ooit gemeten.
De koolstofbinding in het vlak is sterker
dan de tetraëdrische koolstofbinding in diamant.
Het is tegelijkertijd flexibel en rekbaar.
We kunnen grafeen volledig buigen en tot 20% uitrekken.
Het heeft de hoogste thermische geleidbaarheid
van alle materialen, waaronder koper.
Het kan bij kamertemperatuur de hoogste stroomdichtheid weerstaan,
het heeft de hoogste intrinsieke mobiliteit,
100 keer meer dan die in silicium.
Het is het meest ondoordringbare materiaal,
zelfs de kleine heliumatomen kunnen er niet door.
Grafeen zal de wereld veranderen.
Er zal zeker een compleet andere intelligente samenleving zijn
binnen 10 tot 20 jaar.
Laten we eens nadenken over de toekomst.
Stel je voor dat alle transparante glazen ramen
voortdurend elektriciteit konden opwekken met zonlicht
en de energie leveren voor alle gebouwen.
Stel je voor dat alle elektrische voertuigen en elektronische apparaten
binnen 10 minuten konden worden opgeladen en het een paar dagen volhouden.
Stel je voor dat je zeewater kunt ontzilten met een zak-apparaat
om er overal drinkwater van te maken.
Stel je voor dat slimme elektronische apparaten
kunnen worden geïntegreerd in onze kleren,
en sommigen zelfs geïmplanteerd onder onze huid.
Stel je voor dat lichtgewicht composietmaterialen
sterker dan ooit zouden kunnen zijn
zodat ze het belangrijkste structurele materiaal
voor schepen, auto’s en vliegtuigen zouden kunnen zijn.
Stel je voor dat elektronische chips
duizend keer sneller konden rekenen
met plasmons in plaats van met elektronen.
Al deze dromen zullen zich ooit realiseren
en onze samenleving grondig veranderen.
Ik geloof dat het nog tijdens ons leven zal gebeuren
dankzij het onderzoek van dit nieuwe nanomateriaal.
Maar grafeen produceren is heel moeilijk.
Hoewel geweten was dat grafeen aanwezig is in grafiet
geloofden de meeste wetenschappers dat het onmogelijk zou zijn
om stabiel grafeen te isoleren.
In de jaren 1930 voorspelden Landau en Peierls
dat 2D-kristallen thermodynamisch instabiel zouden zijn
en dus niet konden bestaan.
30 jaar later presenteerde Mermin verdere analyseresultaten
om deze hypothese te ondersteunen.
Totdat in 2004 twee wetenschappers,
Andre Geim en Kostya Novoselov,
plakband gebruikten om grafeen te produceren.
Door tape herhaalde keren op grafietlamellen te plaatsen
en laag per laag af te pellen,
wordt het grafiet dunner en dunner.
Hoewel het meeste bestaat uit dunne grafietlamellen,
werden uiteindelijk toch een paar kleine stukjes
van éénlaagsgrafeen geïsoleerd.
Sindsdien doen duizenden wetenschappers onderzoek
op kleine stukjes éénlaagsgrafeen
met behulp van de plakbandmethode.
Kan je geloven dat de Nobelprijs voor Natuurkunde
in 2010 aan deze twee wetenschappers werd toegekend
om hun baanbrekende plakbandexperiment? (Gelach)
Het is natuurlijk geen praktische manier
om massa’s grafeen te produceren en nuttige producten te maken.
Tegenwoordig worden tonnen kleine vlokken van meerlaagsgrafeen,
strikt genomen dunne grafietlamellen,
geproduceerd via de methode van chemische exfoliatie.
Ze worden verwerkt in tennisrackets of fietsbanden
om de sterkte te verbeteren en het gewicht te verlagen.
Maar het geproduceerde materiaal is zwart,
niet zoals het transparante grafeen.
Als de kleur zwart is, betekent dit dat de vlokken te dik zijn.
Ook zijn de vlokken te klein
voor de leuke dingen waar ik het over had.
Als experimenteel onderzoeker van grafeen,
heb ik grote oppervlaktes éénlaagsgrafeen nodig
voor mijn experimenten.
Ik vond toentertijd in Nederland geen onderzoeksgroep
die mij grafeen van hoge kwaliteit kon leveren.
Ik pendelde elke dag
tussen de Universiteit van Leiden en de TU Delft.
terwijl ik probeerde uit te knobbelen hoe ik grote grafeenmonsters kon kweken.
Met de bestaande faciliteiten
kon ik geen hoogwaardig grafeen isoleren.
Ofwel omdat de gasstroom niet goed kon worden afgesteld,
ofwel omdat het verwarmingsoppervlak te klein was
om grotere stalen grafeen te kweken.
Het vermogen van de verwarmer was niet eens voldoende
om 1.000 graden Celsius te bereiken.
Elke dag stond ik op om 6 uur
en keerde pas om middernacht terug naar huis.
Alles wat ik kon bedenken, heb ik geprobeerd.
Maar ik kreeg alleen maar frustratie en nieuwe problemen.
Ik dacht: "Als het zo verder moet,
ga ik mijn promotieonderzoek nooit afkrijgen."
Vier maanden later besloot ik niet langer mijn tijd te verspillen
en zelf een oven te bouwen.
Met dank aan mijn begeleider, en de faculteit,
kreeg ik extra budget voor de apparatuur.
Op hetzelfde moment won ik ook de Young Wild Idea Prize
ter waarde van 10.000 euro.
Ik kon het geld vrij besteden aan materiaal.
Ik herinner me dat moment op dinsdag 17 april 2012 nog.
Na een heel jaar van lange dagen werken,
begon ik mijn eigen opstelling te testen.
De vacuümpomp van het lab
was meer dan acht jaar oud en had er al meer dan 29.000 uur opzitten.
Niet alleen dat, maar de pomp stopte
zodra ze warmer werd dan 40 °C.
Dus kocht ik een kleine ventilator van 30 euro
die de pomp perfect kon koelen.
Dit is de oven die ik bouwde.
Ik licht de voordelen van deze zelfgemaakte opstelling even toe.
De oven kan een kwartsbuis van 1 inch (2,54 cm)
tot meer dan 1.000 °C opwarmen
met een temperatuurafwijking van minder dan 1 °C.
Er zit een transparante kogelvrije Lexan bedekking rond.
Dat is nodig om bij een eventuele gasexplosie
de onderzoeker te beschermen.
Met een wieltje bewegen we de oven van op afstand
naar links en naar rechts.
Dat gaat met een versnelling en een ketting,
net als bij de versnellingen van een fiets.
Hiermee kon ik het monster 10 keer sneller verwarmen en koelen
dan met commerciële apparatuur.
De kosten van deze opstelling bedragen minder dan 20.000 euro.
Dat is meer dan zeven keer goedkoper
dan alle in de handel verkrijgbare apparatuur.
Alle componenten kunnen geoptimaliseerd en goed gecontroleerd worden.
Het levert veel betere prestaties.
Ik genoot van het werken met mijn eigen opstelling.
Dit is grafeen dat ik heb gekweekt.
De grafeenkristallen groeien als sneeuwkristallen.
Methaan,
het belangrijkste bestanddeel (80%) van aardgas,
kan tot koolstofatomen ontbinden
op een kopersubstraat
van 1000 °C in een omgeving van inert gas.
De koolstofatomen verbinden zich aan elkaar
tot koolstofringen met een honingraatstructuur
zoals bij grafiet.
Met koolstofisotopen kan ik de groeiprocedure volgen.
Stel je voor, een individueel grafeenkristal
een paar millimeter groot,
meer dan een miljoen keer groter dan de grootte van het koolstofatoom.
Kan je geloven dat dit staal een half jaar geleden werd gemaakt
en de enkele laag grafeen nog steeds het koper tegen oxidatie te beschermt?
Grafeenkristallen worden groter en groter,
en verbinden zich met naburige grafeenkristallen
tot een aaneengesloten film.
Zodra er geen onbedekt koper meer is,
stopt de grafeengroei.
Dan zullen we één enkele laag grafeenfilm van hoge kwaliteit hebben.
Mijn collega en ik toonden voor het eerst aan
dat de kwaliteit van dit synthetische grafeen
net zo goed is als dat van de plakbandmethode,
maar dan aanzienlijk groter.
Voor de massaproductie van grafeen en om de kosten drastisch te verminderen,
werd een grotere en betere oven ontworpen en gebouwd.
Die oven heeft een grotere kwartsbuis,
en blijft altijd op constante temperatuur.
Zodra het grafeen stopt met groeien,
hoef ik de oven alleen maar helemaal van de buis weg te halen
en het grafeenmonster eruit te nemen.
Ik kan gelijk een tweede grafeengroeicyclus opstarten.
De efficiëntie om grafeen van hoge kwaliteit te kweken
kan tien tot twintig keer verbeterd worden
en het energieverbruik kan veel lager worden.
Met honderden grotere ovens
zal de massaproductie van grafeen binnenkort mogelijk geworden.
Hier is een laag grafeen op een transparant substraat.
Ik kan jullie er doorheen zien.
Maar er is iets bijzonders.
Het is geleidend
en flexibel.
(Applaus)
Je ziet allerlei toekomstige toepassingen voor dit grafeen.
Momenteel kost dit kleine stukje grafeen
rond de 1.000 euro.
Maar ik denk dat de prijs van dit grafeen
binnen een paar jaar tot minder dan 1 euro zal dalen,
omdat de materialen die we gebruiken om grafeen te produceren,
zoals aardgas en koperfolie,
bijna overal beschikbaar zijn.
Ieder van ons zal in de nabije toekomst grafeen kunnen verkrijgen
om deze droom te realiseren.
Vergeet niet dat ik je vertelde dat we een betere wereld gaan hebben.
Ik kan jullie nog geen transparante glazen ramen lateen zien
die elektriciteit opwekken.
Ook niet elektronica die in mijn kleren is ingebed.
Maar ik kan je iets tonen dat je nog nooit eerder hebt gezien.
Er zit transparant grafeen in een patroon van bedrade structuren
op deze transparante polymeervleugel.
Het grafeen is zo bijzonder
dat, zodra we er een beetje energie op aanbrengen, het zal krimpen.
En grafeen is zo sterk dat het deze polymeervleugel,
die duizend maal zwaarder is, kan optillen
om de vleugelslag van een bio-robot na te bootsen.
Kijk eens wat ik in deze paar jaren heb gedaan en bereikt.
Als jullie aansluiten bij mijn streven
naar de massaproductie van grafeen van hoge kwaliteit,
denk ik dat we samen onze droom waar kunnen maken.
Dankjewel.
(Applaus)