Wat hebben we aan grafeen? | Shou-En Zhu | TEDxDelft

Deze talk werd gegeven op een lokaal TEDx evenement, onafhankelijk van de TED-conferenties geproduceerd.

Grafeen, een nano-structuur, heeft vele verschillende toepassingen. Bij zijn werk aan een doctoraat in Grafeen Onderzoek aan de TU Delft, pakte Shou-En Zhu het anders aan. Hij ontwierp en bouwde een machine die grafeen goedkoop kan produceren.

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)