2D-materialen, zoals grafeen, openen nieuwe fronten in de materiaalkunde

Een toevallige ontdekking

De meeste fysieke objecten bestaan uit 3D-materialen. Solide materialen bestaan vaak uit ofwel geordende atomen in vooraf bepaalde 3D-structuren die metalen en kristallen vormen, of uit ongeordende atomen die andere zaken vormen.

Lange tijd werd aangenomen dat dit de enige vorm was waarin materie kon worden georganiseerd om vaste objecten te vormen. Maar 20 jaar geleden (2004) ontdekten twee onderzoekers aan de Universiteit van Manchester, Andre Geim en professor Kostya Novoselov een 2D-materiaal, grafeen. Ze ontdekten het bijna per ongeluk toen ze zich realiseerden dat simpel plakband dat op grafiet (waar potloodpunten van gemaakt zijn) werd aangebracht, een mono‑atomische koolstoflaag creëerde.

Dit leverde hen later de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2010 op.

Grafeen bestaat uit koolstofatomen, maar in plaats van in een ongeordende vorm (grafiet) of een geordend kristal (diamanten), zijn de koolstofatomen in grafeen uitgelijnd in een mono‑atomische laag, als een ultradun papierblad. Ze ontdekten ook dat het zelfs mogelijk is om materialen van één of nul dimensie te vormen, zoals nanobuizen of kwantumdotten.

Bron: Ossila

Wat 2D-materialen speciaal maakt, is dat deze unieke configuratie gepaard gaat met unieke fysieke eigenschappen.

Zo is grafeen extreem geleidend, waarbij elektronen erin kunnen circuleren met 1/300ste van de lichtsnelheid. Het is ook een zeer goede thermische geleider en heeft de hoogste treksterkte van alle materialen, ondanks dat het optisch transparant is en slechts 2 % van het invallende zichtbare licht absorbeert.

Bron: Visual Capitalist

Veel meer dan grafeen

De unieke eigenschappen van grafeen maakten het onmiddellijk tot het focuspunt van duizenden onderzoekers die gretig waren om zijn unieke elektrische, chemische en fysieke eigenschappen te onthullen.

Echter, er werd getwijfeld of andere elementen dan koolstof ook 2D-materialen konden vormen. Het antwoord was ja, met theoretische voorspellingen die honderden verschillende potentiële 2D-materialen beloven. Onder de belangrijkste en best bestudeerde 2D-materialen naast grafeen kunnen we enkele noemen:

• Borophene, gemaakt van booratomen, pas in 2015 ontdekt.
• Goldene, gemaakt van goudatomen, voor het eerst geproduceerd in 2024.
• Silicene, gemaakt van siliciumatomen.
• Phosphorene, gemaakt van fosforatomen.

Het blijkt ook dat 2D-materialen niet alleen uit één puur element hoeven te bestaan — bijvoorbeeld monolagen van molybdeen disulfide (MoS2) of silicium nitride (Si3N4).

Andere atomen kunnen ook aan de monolaag worden gekoppeld, waardoor een “ruw” oppervlak ontstaat, zoals wanneer waterstof aan de koolstofatomen van grafeen wordt toegevoegd om graphaan te vormen.

Bron: By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

Vanwege deze extreme diversiteit aan materialen beginnen onderzoekers pas het potentieel van 2D-materialen te ontdekken.

Toepassingen – Fundamentele aspecten

In het algemeen maakt wat 2D-materialen uniek is dat hun zeer geordende atomaire structuur een unieke configuratie van hun elektronen en een sterke binding tussen de atomen mogelijk maakt.

Dit verklaart op zijn beurt de uitzonderlijke elektrische geleiding (stroom van elektronen), thermische geleiding (overdracht van energieniveaus tussen atomen) en fysieke sterkte (covalente bindingen tussen atomen door uitwisseling van elektronen).

De 2D-structuur geeft deze materialen bovendien het hoogste specifieke oppervlak (oppervlak waar interacties mogelijk zijn) van alle bekende materialen. Dit maakt ze uitstekende kandidaten voor nieuwe vormen van katalysatoren of, in het algemeen, voor deelname aan chemische en elektrische reacties.

Supergeleiders

Omdat elektronen bijna volledig vrij kunnen stromen aan het oppervlak van 2D-materialen, worden ze beschouwd als goede kandidaten voor supergeleiding.

Supergeleiding is wat er gebeurt wanneer een materiaal elektriciteit kan geleiden zonder enige weerstand.

Dit betekent dat er niet alleen geen energieverlies is, wat zeer nuttig kan zijn voor het transporteren van stroom over lange afstanden, maar ook dat een stroom die door het materiaal gaat geen warmte genereert. Dit maakt het ongelooflijk bruikbaar voor allerlei toepassingen, van computers tot elektrische voertuigen en vrijwel elke technologie die elektriciteit gebruikt.

In theorie zou supergeleiding, vooral supergeleiding bij kamertemperatuur, kunnen leiden tot beheersing van kernfusie, het voortstuwen van schepen met elektriciteit, goedkope & ultrasnelle maglev-treinen, massadrivers om tegen een zeer lage kost de baan in te gaan, enz. (We onderzochten in meer detail de vraag naar supergeleiders bij kamertemperatuur in ons toegewijde artikel).

Veel 2D-materialen kunnen supergeleiding vertonen onder de juiste omstandigheden (bijv. temperatuur, druk, enz.), waaronder:

• Elementaire metalen ultradunne films.
• Cupraten.
• Perovskietoxiden.
• Zeldzame-aarde metalen zware-fermionverbindingen.
• Grafeen.
• Ijzer selenide op oxideoppervlakken.
• Organische geleiders op metaaloppervlakken.

Halfgeleiders

Halfgeleiders zijn materialen die in staat zijn om selectief te schakelen van een geleidingsstaat (die elektronen doorgeeft) naar een isolatietoestand (die elektronen blokkeert). Dit is het fundamentele principe waarop siliciumtransistoren en andere rekenelementen zijn gebouwd, waarbij 0 geen elektrische stroom betekent en 1 de aanwezigheid van stroom.

Hoe sneller een halfgeleider van staat kan veranderen, hoe sneller de bijbehorende berekening kan zijn.

Grafeen

Aanvankelijk dachten onderzoekers die grafeen bestudeerden dat het silicium in halfgeleiders kon vervangen. Helaas mist het een cruciale elektronische eigenschap die een “bandgap” wordt genoemd.

Een bandgap bepaalt of een materiaal wordt beschouwd als een metaal (geleidend), een isolator (blokkeert elektriciteit) of een halfgeleider (die kan schakelen tussen geleidend en isolerend).

Bron: Energy Education

Het probleem is dat grafeen helemaal geen bandgap heeft, waardoor het niet bruikbaar is als halfgeleider.

Dit was waar tot 2024 toen onderzoekers aankondigden dat ze erin geslaagd waren ‘s werelds eerste halfgeleider van grafeen te creëren.

“Wij hebben nu een extreem robuuste grafeen‑halfgeleider met tien keer de mobiliteit van silicium, en die bovendien unieke eigenschappen heeft die niet beschikbaar zijn in silicium.

“We moesten leren hoe we het materiaal moesten behandelen, hoe we het steeds beter konden maken, en uiteindelijk hoe we de eigenschappen moesten meten. Dat heeft zeer, zeer lang geduurd.”

Goldene

Een ander interessant 2D-materiaal is goldene, in wezen grafeen maar met goud dat de koolstofatomen vervangt.

Goud wordt al veel gebruikt in chips en computeronderdelen dankzij zijn buitengewone eigenschappen, zoals weerstand tegen oxidatie en zeer hoge elektrische geleiding.

Met de productie in 2024 van de eerste goldene monolaag, zouden halfgeleider‑eigenschappen aan de lijst kunnen worden toegevoegd.

“Als je een materiaal extreem dun maakt, gebeurt er iets buitengewoons – net als bij grafeen. Hetzelfde gebeurt met goud. Zoals je weet, is goud meestal een metaal, maar als een laag één atoom dik is, kan goud in plaats daarvan een halfgeleider worden.”

Organische halfgeleiders

Organische moleculen bestaan uit een skelet van koolstof, samen met andere elementen, meestal zuurstof, stikstof, zwavel, enz.

onderzoekers ontdekten dat ze organische polymeren kunnen dwingen om in een 2D-configuratie te blijven en te voorkomen dat meerdere lagen op elkaar stapelen.

Bron: POSTECH

Vervolgens gebruikten ze een stap genaamd p-type doping, die vaak wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders.

Dit verwijst naar het toevoegen van elementen aan een halfgeleidermateriaal om het nog beter geleidend te maken.

Bron: Wikipedia by VectorVoyager

Het resulterende materiaal werd door de onderzoekers beschreven als zijnde met een “uitstekende elektrische geleiding”.

Ook al zijn materialen zoals grafeen op de een of andere manier te moeilijk om massaal te produceren in een halfgeleiderconfiguratie, of goldene te duur, organische halfgeleiders zullen waarschijnlijk beschikbaar zijn om de adoptie van 2D-halfgeleiders in de nabije toekomst mogelijk te maken.

Supermaterialen

Hoewel elektrische eigenschappen de kern van de wetenschappelijke interesse in 2D-materialen vormen, zijn hun fysieke eigenschappen even indrukwekkend.

Zo is grafeen 200 keer sterker dan staal voor een gelijk massa. Grafeen zou in beton kunnen worden geïntegreerd, zoals staal in gepantserd beton, waardoor beton 2,5 keer sterker en 4 keer minder waterdoorlatend wordt. Bovendien roest grafeen niet zoals staal, waardoor grafeen‑versterkt beton niet kwetsbaar is voor “betonrot” veroorzaakt door ijzeroxidatie, wat de levensduur van betonstrukturen ernstig beperkt.

Bron: By Achim Hering – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

De extreme weerstand + het lichte gewicht van grafeen en andere 2D-materialen zouden ook kunnen worden gebruikt om beter lichaamspantser te maken.

Een ander toepassingsgebied kan thermisch beheer zijn. Bijvoorbeeld, onderzoekers ontdekten recent dat je een materiaal kunt vervaardigen dat zowel isolerend als stijf is (een zeldzame combinatie) door 2D hybride organisch‑anorganische perovskieten te creëren.

2D-materialen zoals grafeen en hexagonale boornitride kunnen ook worden gebruikt om warmte af te voeren in elektronische en opto‑elektronische apparaten.

Ten slotte zouden geavanceerde ultra‑resistente 2D-materialen kunnen worden gebruikt om futuristische infrastructuren te realiseren, zoals bijvoorbeeld ruimteliften. Dergelijke stappen zullen echter pas realistisch zijn zodra we hebben uitgezocht hoe we deze materialen economisch kunnen produceren, niet per gram of kilogram, maar per miljoenen ton.

Biotechnologie

Een zeer hoog oppervlak, extreem dunne laag en unieke chemische eigenschappen maken 2D-materialen goede kandidaten voor tal van niche‑toepassingen in de medische en biotechnologische sector.

Dit omvat geneesmiddellevering, beeldvorming, weefselengineering, biosensoren en gassensoren.

Een andere factor in de opkomst van 2D-materialen in biologische toepassingen zijn de recente ontdekkingen die hen een eigenschap geven die chiraliteit wordt genoemd.

Chiraliteit is een chemische term die betekent dat moleculen een linker/rechter-symmetrie hebben. Chiraliteit is een belangrijk kenmerk van organische moleculen, bijvoorbeeld de aminozuren die de bouwstenen van eiwitten vormen.

Bron: UC Santa Barbara

In moleculen kan chiraliteit ervoor zorgen dat biologische of chemische eenheden bestaan uit twee versies die niet perfect op elkaar passen, zoals een linker- en rechterhandschoen. Ze kunnen elkaar precies spiegelen, maar een linkervat past nooit even goed op de rechterhand als op de linkerhand.

Pr. Dipanjan Pan

Recentelijk synthetiseerden onderzoekers borofeen-plaatjes, vergelijkbaar met hoe fragmenten van borofeen in de bloedbaan zouden terechtkomen. Ze ontdekten dat de chiraliteitseigenschappen van de verschillende versies van borofeen verschillend interageerden met de celmembranen en de cellen op verschillende manieren binnengingen.

Dit opent de weg naar het ontwerpen van op maat gemaakte borofeen-structuren voor toepassingen zoals de “ontwikkeling van hogere-resolutie medische beeldvorming met contrast dat nauwkeurig celinteracties kan volgen of betere geneesmiddellevering met nauwkeurige materiaal‑celinteracties.”

Een beter begrip van hoe de borofeen-structuur interageert met levende cellen zal ook helpen om het veiligheidsprofiel te verduidelijken.

Hoewel het gezondheidsprofiel van borofeen nog wordt geëvalueerd, lijkt het erop dat grafeen zelfs veilig kan worden ingeademd zonder acuut risico voor de menselijke gezondheid. Deze resultaten zijn nog zeer preliminair maar duiden waarschijnlijk erop dat de snelle proliferatie van 2D-materialen geen volksgezondheidsproblemen zou moeten veroorzaken.

En hoe biocompatibeler ze zijn, hoe waarschijnlijker het is dat ze kunnen worden gebruikt om biologische sensoren te ontwikkelen of nanorobots van stroom te voorzien in onze bloedbaan.

Beperkingen

Productie op schaal

Zelfs het meest gevestigde en eerst ontdekte 2D-materiaal, grafeen, blijft grotendeels het domein van laboratoria en startups.

Dit komt doordat productie op schaal nog steeds een lastige aangelegenheid is. Kleine hoeveelheden maken is redelijk eenvoudig, maar enorme hoeveelheden op een semi‑geautomatiseerde manier produceren is dat niet.

Plakband dat op een stuk grafiet werd aangebracht, was voldoende om grafeen te ontdekken. Maar veel complexere methoden zoals chemische dampafzetting (CVD) zijn nodig voor massaproductie.

Dit wordt langzaam meer een realiteit, bijvoorbeeld met de publicatie van een proces voor zuurstofvrije CVD dat grafeen van hoge zuiverheid produceert.

Het lijmen

Een ander probleem met 2D-materialen is dat ze, omdat ze zo dun en chemisch uniek zijn, moeilijk op andere materialen te lijmen kunnen zijn.

Het vereist vaak gespecialiseerde technieken om een grafeenlaag te laten hechten aan computerchips, een stroomvoorziening of een medisch apparaat.

Dit kan veel tijdrovender en middelenintensiever zijn dan minder efficiënte maar gemakkelijker te implementeren alternatieven.

Kosten

Omdat de meeste productiemethoden en toepassingen op bestaande apparaten momenteel nog grotendeels kleinschalig of op maat zijn, blijven 2D-materialen tamelijk duur.

De daadwerkelijke prijs kan sterk variëren afhankelijk van zuiverheid, bijvoorbeeld grafeen varieert tussen $20‑2.000/kg.

Dit betekent dat zelfs tegen de goedkoopste prijs grafeen nog steeds 20 keer duurder is dan staal. Bovendien is waarschijnlijk meer dan de laagst mogelijke zuiverheid nodig om een acceptabele prestatie te bereiken bij het vervangen van dat staal.

2D-materiaalbedrijven

Het veld van 2D-materialen ontwikkelt zich zeer snel, met regelmatig nieuwe opties zoals goldene die worden ontdekt, en nieuw inzicht in hoe “oude” materialen geoptimaliseerd kunnen worden, zoals het omvormen van grafeen tot een halfgeleider.

Deze producten zullen waarschijnlijk pas een belangrijke economische sector worden zodra ze op schaal met industriële methoden worden geproduceerd.

Tot nu toe is de meest geavanceerde en goed gedocumenteerde methode CVD, wat CVD‑specialisten een aanzienlijk voordeel geeft om een groot deel van de waarde van de productie van 2D-materialen te benutten.

1. Veeco

Veeco is sinds de oprichting in 1945 een belangrijke leverancier van apparatuur aan de halfgeleiderproductie-industrie. Zijn machines worden gebruikt bij de productie van geavanceerde EUV-chipfabricage, 5G‑antennes, harde schijven, LIDAR, LED’s, vermogenselektronica voor elektrische voertuigen, enz.

Bron: Veeco

De belangrijkste technologische focus van het bedrijf is hetzelfde CVD‑proces dat wordt gebruikt voor de productie van borofeen, of meer precies, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Bron: Veeco

Als leider in dit niche‑segment van de halfgeleiderindustrie zou Veeco een goede kandidaat kunnen zijn om in te zetten op de groei van meer CVD‑toepassingen.

Zo’n groei zou kunnen voortvloeien uit het toenemende gebruik van grafeen, wolfraam en borofeen, nu we steeds beter worden in het manipuleren van materie op atomair niveau.

Het zal waarschijnlijk ook profiteren van de enorme trends van digitalisering, AI en elektrificatie, ongeacht of het binnenkort massaal 2D-materialen gebruikt of niet.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG is een grafeenproducent die zich heeft gericht op al bewezen grafeen‑gebaseerde producten zoals hittecoating en smeermiddelen.

Dit maakt GMG een goede optie voor investeerders die directe blootstelling aan de grafeenmarkt zoeken en een bedrijf dat al actief is in de massaproductie van grafeen en het verbeteren van de huidige productiemethode.

Bron: GMG

Enkele verdere toepassingen zouden de creatie van grafeen‑halfgeleiders kunnen zijn (zie “Grafeen‑halfgeleiders – Zijn ze eindelijk hier?”), of zelfs supergeleiders bij kamertemperatuur. Grafeencoating zou ook kunnen worden gebruikt in batterijen en voor waterstof‑drukvaten.

Bron: GMG

GMG produceert zijn grafeen uit methaan + waterstof, wat verschilt van de meeste concurrenten die het uit natuurlijke grafietafzettingen produceren. Dit maakt hogere zuiverheid, meer schaalbaarheid en goedkope productie mogelijk.

Het bedrijf lanceerde in 2023 zijn eerste productiefaciliteit in Australië, met een productiecapaciteit van tot wel 1 miljoen liter hitte‑wisselaarcoating per jaar.

De volgende stap voor het bedrijf zal zijn batterijtechnologie op basis van grafeen‑aluminium‑ion zijn, met een energiedichtheid van 290 Wh/kg, 60 keer sneller opladen dan lithium‑ionbatterijen, 3 keer de levensduur van de batterij, en een beter brandgevaarprofiel.

Bron: GMG

Deze intrede in de batterijenmarkt kan een grote gok voor GMG zijn, maar geeft het ook een uniek perspectief op de toekomstige markt die zich voor grafeen zou kunnen openen, inclusief in elektrische voertuigen en andere energie‑gerelateerde toepassingen.