Onbestaanbaar geacht gaasje van één atoom dik werkelijk gemaakt
Onderzoekers uit Nijmegen, Stuttgart en Manchester zijn erin geslaagd een vrij opgehangen laagje grafeen te maken. Grafeen is een nieuwe vorm van koolstof - slechts één atoomlaag dik - die in 2004 is ontdekt. Tot nog toe werd het alleen gefabriceerd liggend op een ondergrond van een ander materiaal. Veel tekstboeken zeggen dat een laag van één atoom dik niet vrij kan bestaan. De onderzoekers hebben deze bewering nu ontkracht en bovendien kunnen ze verklaren waarom zo'n dunne laag wel stabiel is. Ze publiceren deze wetenschappelijke doorbraak op 1 maart 2007 in het tijdschrift Nature.
In 2004 ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Manchester dat je uit sommige kristallen laagjes van slechts één atoom dik kunt isoleren. Grafeen is er een voorbeeld van: het is het dunst mogelijke laagje koolstof, slechts één atoom dik. Het bezit verbazingwekkende eigenschappen die het voor onderzoek naar allerlei quantumfysische verschijnselen zeer geschikt maakt. Het is wereldwijd dan ook een 'hot' materiaal geworden. De ene toppublicatie volgt de andere op. Zo bracht Science op 15 februari nog het Nijmeegs-Amerikaanse nieuws dat het quantum Hall-effect in grafeen ook bij kamertemperatuur te meten is.
Tot nu toe ging het echter steeds om een 'potloodstreepje' op een ondergrond. Voor het eerst is het onderzoekers nu gelukt dit dunste kristal ook in vrije staat te creëren.
Grafeen wordt gemaakt door een koolstofkristal op een plaatje silicium af te pellen tot er slechts één atoomlaagje over is. Een grote vraag was of het kippengaasachtige kristal dat dan overblijft ook zonder ondergrond kan bestaan. De verwachting was dat er te grote spanningen in het laagje zouden ontstaan om het in stand te kunnen houden. De meeste tekstboeken stellen dan ook dat een vrij bestaand laagje van één atoom dik niet mogelijk is. Dat is nu dus wel gelukt.
Experimenteel natuurkundigen onder leiding van dr. Jannik Meyer (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart) en prof.dr. Andre Geim (University of Manchester) gebruiken, in samenwerking met theoreticus prof.dr. Mikhail Katsnelson van het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen, een techniek die ook wordt gebruikt in de microchipfabricage. Het team plaatste een gouden houdertje boven een grafeenkristal op een siliciumondergrond. Deze ondergrond werd vervolgens met behulp van zuren opgelost. Het grafeen bleef vrij hangen aan het goud.
Het grafeenmembraan is het dunst mogelijke materiaal en blijft opmerkelijk goed in tact. De onderzoekers vonden ook een verklaring voor de stabiliteit van dat dunst mogelijke laagje: het is niet volkomen plat maar het golft licht. Dat zorgt voor een stabiele verdeling van optredende krachten. De theorie voorspelt trouwens dat laagjes van één atoom dik - door natuurkundigen tweedimensionale kristallen genoemd - nooit vlak zullen zijn, maar zich spontaan krommen en daardoor een geplooid aanzien krijgen. De onderzoekers hebben dat nu experimenteel bevestigd.
Ze denken dat membranen zoals deze in de verdere toekomst als gasfilter kunnen worden gebruikt, of voor ultrasnelle elektro-mechanische schakelingen. Voor de nabije toekomst moet grafeen geschikt zijn om als onzichtbare ondersteuning te dienen bij het bekijken van complexe, bioactieve moleculen onder een elektronenmicroscoop. "We laten nu zien dat het in principe kan," zegt Geim. "Met bestaande technologie kunnen we nu echte dingen gaan maken. De uitdaging is om zo'n atoomgaas goedkoop en op grote schaal te gaan produceren."
Meer informatie bij prof.dr. Mikhail Katsnelson, Institute for Molecules and Materials, telefoon (024) 365 29 95, prof.dr.ir. Jan Kees Maan, Institute for Molecules and Materials, telefoon (024) 365 34 22 of Wetenschapsredactie Radboud Universiteit Nijmegen, telefoon (024) 361 60 00.
Het artikel is getiteld "The structure of suspended graphene sheets"; de auteurs zijn Jannik Meyer1, Andre Geim2, Mikhail Katsnelson3, Kostya Novoselov2, Tim Booth2 en Siegmar Roth1. Het artikel verschijnt in de Nature van 1 maart 2007.
1 MPI Stuttgart
2 Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, University of Manchester
3 Institute for Molecules and Materials, Radboud Universiteit Nijmegen. Katsnelson geniet financiële steun van FOM