Het Accordeoneffect van Graphene Versterkt de Toekomst van Draagbare Technologie

Het was pas ongeveer twee decennia geleden dat grafeen werd ontdekt. In zo’n korte periode is dit “wondermateriaal” een integraal onderdeel geworden van elektronica en halfgeleidertechnologie, energieopslag, thermisch beheer, materiaalkunde en andere industrieën. 

Sinds professoren Kostya Novoselov en Andre Geim van de Universiteit van Manchester grafeen in 2004 hebben geïsoleerd en gekarakteriseerd, waarvoor ze in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen, blijft het materiaal een van de meest opwindende onderzoeksvelden in de elektronica.

Grafeen is een tweedimensionaal (2D) materiaal dat bestaat uit een extreem dunne vel van slechts één enkele laag koolstofatomen. Het vertont opmerkelijke eigenschappen, waaronder een licht gewicht, zeer hoge elektrische geleidbaarheid en sterke mechanische sterkte.

Nu hebben onderzoekers een nieuwe eigenschap van grafeen ontdekt met behulp van een unieke methode.

Het Accordeoneffect: Grafeen Zeer Rekbaar Maken 

Onder leiding van Jani Kotakoski heeft het team van natuurkundigen aan de Universiteit van Wenen grafeen voor het eerst aanzienlijk rekbaarder gemaakt door het als een accordeon te behandelen. Deze nieuwe eigenschap werd onthuld in een schone en luchtvrije meetomgeving.

De rimpels in grafeen maken het rekbaar, waardoor het geschikt is voor wearables, waar materialen moeten buigen en meebewegen met het lichaam terwijl ze toch betrouwbaar functioneren.

Gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters¹, de studie werd uitgevoerd in samenwerking met de Technische Universiteit van Wenen en gefinancierd door de Oostenrijkse Stichting voor Wetenschap (FWF).

Het onderzoeksteam voerde experimenten uit die aantonen dat de extreme stijfheid van grafeen te wijten is aan de atomen die in een honingraatstructuur zijn gerangschikt; het verwijderen van enkele atomen en hun bindingen vermindert die stijfheid. 

Wetenschappelijke studies hebben echter tegenstrijdige resultaten gerapporteerd; zowel een lichte vermindering als een significante toename.

De nieuwste studie maakt dit heel duidelijk dankzij het gebruik van geavanceerde apparaten, die dezelfde schone en luchtvrije omgeving deelden. Volgens Katokoshi:

“Dit unieke systeem dat we hebben ontwikkeld aan de Universiteit van Wenen stelt ons in staat 2D-materialen te onderzoeken zonder interferentie.” 

De schone, luchtvrije omgeving maakt het mogelijk om monsters tussen verschillende apparaten te transporteren zonder ze bloot te stellen aan omgevingslucht.

“Voor het eerst is dit soort experiment uitgevoerd met grafeen volledig geïsoleerd van omgevingslucht en de vreemde deeltjes die daarin aanwezig zijn. Zonder deze scheiding zouden deze deeltjes zich snel op het oppervlak neerzetten, waardoor de experimentele procedure en metingen worden beïnvloed.”

– De eerste auteur van de studie, Wael Joudi

Deze focus op de zuiverheid van het materiaaloppervlak leidde tot de onthulling van het accordeoneffect in verband met de stijfheid van grafeen.

Het verwijderen van twee aangrenzende atomen veroorzaakt al een merkbare bultvorming van het aanvankelijk vlakke materiaal. Meerdere van deze bulten samen leiden tot een corrugatie van het materiaal.

“Je kunt het je voorstellen als een accordeon. Wanneer het uit elkaar wordt getrokken, wordt het golvende materiaal nu plat, wat veel minder kracht vereist dan het rekken van een vlak materiaal en daardoor wordt het rekbaarder.” 

– Joudi

De vorming van golven en de daaropvolgende rekbaarheid zijn bevestigd door de simulaties uitgevoerd door Florian Libisch en Rika Saskia Windisch, theoretische natuurkundigen van de Technische Universiteit van Wenen.

De studie rapporteerde dat de weerstand van de substantie tegen elastische vervorming afnam van 286 naar 158  N/m. De afname is “significant groter” dan niet alleen wat de meeste studies voorspellen, maar ook in contrast met enkele gepresenteerde metingen, omdat de corrugaties worden veroorzaakt door lokale spanning bij vacaturen met ten minste twee missende atomen.

De door het team uitgevoerde experimenten toonden bovendien aan “dat het tegenovergestelde effect kan worden gemeten wanneer oppervlaktevervuiling niet wordt verwijderd vóór defectengineering.”

Dus vreemde deeltjes op het materiaaloppervlak onderdrukken dit effect en veroorzaken zelfs een tegenovergesteld resultaat. Met name maakte de invloed van deze deeltjes grafeen nog stijver lijken, wat de tegenstrijdigheden die eerdere experimenten rapporteerden verduidelijkt. Volgens Joudi:

“Dit toont het belang van de meetomgeving bij 2D-materialen. De resultaten openen een weg om de stijfheid van grafeen te reguleren en daarmee de weg vrij te maken voor potentiële toepassingen.” 

De Grenzen van Grafeen Verleggen met Doorbraakonderzoek

Wearable technologie is een bloeiende industrie, die naar verwachting meer dan $150 miljard zal bereiken vóór het einde van het decennium.

Een cruciaal onderdeel van draagbare apparaten zoals smartwatches, ringen, brillen, polsbanden, slimme tatoeages, sieraden, textiel, verbanden, gezichtsmaskers en een realtime glucoseregulator zijn sensoren, die biometrische gegevens detecteren, data verzamelen en zich vervolgens aanpassen aan de behoeften van het lichaam.

De snelle ontwikkeling van flexibele, perceptieve elektrische apparaten heeft geleid tot grafeen‑gebaseerde draagbare sensoren, die opvallen door hun grote potentieel om zorgfaciliteiten toegankelijker te maken en de kwaliteit van detectieactiviteiten te verbeteren.

In tegenstelling tot traditionele halfgeleiders, die rigide zijn en beperkte opto‑elektronische eigenschappen hebben, en metalen, die duur, giftig en prestatie‑degradatie onder mechanische stress kunnen vertonen, maken de inherente eigenschappen van grafeen het zeer geschikt voor het bouwen van goedkope en multifunctionele wearables.

De nieuwste studie heeft ons de verbazingwekkende capaciteit van het materiaal in deze apparaten laten zien dankzij de dramatische toename in rekbaarheid. Maar dit is niet de eerste keer; door de jaren heen hebben vele studies de rol van grafeen in wearables onderzocht om verschillende redenen en hebben ze vele nieuwe ontdekkingen gedaan.

Klik hier om te leren waarom het opschonen van grafeen de weg vrijmaakt voor commercialisatie.

Grafeen‑gebaseerde Draagbare Reksensor

Vorig jaar ontwikkelden onderzoekers een draagbare rekensor² met grafeen die stille spraak kan detecteren en uitzenden.

De ‘slimme’ kraag die onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben gebouwd, legt micromoves in de keel vast, die door de rekensor als een elektrisch signaal worden opgepikt en vervolgens in softwaremodellen worden verwerkt voor spraakherkenning. Het kan zelfs stil gemompelde woorden oppikken en uitzenden.

Het draagbare apparaat heeft een onderscheidende structuur, met geordende, doorzichtige scheuren op grafeen‑gecoat textiel, wat de gevoeligheid aanzienlijk verbetert. De bovenliggende gestructureerde grafeenlaag werd aangebracht op een geïntegreerde textiele rekensor.

De fabricagemethode voor de technologie is bovendien eenvoudig, schaalbaar, goedkoop en biocompatibel. Het apparaat is aanpasbaar voor langdurig gebruik en kan meer dan 10.000 rek‑los‑cycli doorstaan terwijl het een stabiele en betrouwbare elektrische functionaliteit behoudt.

Door dynamisch te reageren op micromoves in de keel, kan het informatie‑rijke spraaksignalen vastleggen, die via een neuraal netwerk worden verwerkt, met een record‑nauwkeurigheid van 95,25 % in spraakdecodering. 

Volgens de onderzoekers heeft het apparaat het potentieel om het veld van stille spraakinterfaces (SSI) te herdefiniëren, wat geavanceerde oplossingen omvat om verbale communicatie mogelijk te maken zonder vocalisatie.

Grafeen combineren met Zijde voor Flexibele Elektronica

In een andere studie ontwikkelden onderzoekers van het Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) een uniforme 2D‑laag van “fibroïnen” of fragmenten van zijde‑eiwit op grafeen. 

Het gebruik van zijde‑eiwit in designer‑elektronica is niet nieuw, maar het is beperkt omdat zijde‑vezels een rommelige wirwar van strengen vormen. Daarom de toevoeging van grafeen.

Zijde‑op‑grafeen zou potentieel een zeer gewilde gevoelige, afstelbare transistor kunnen creëren voor gezondheids‑ en draagbare sensoren. Het kan zelfs dienen als een cruciaal onderdeel in “memristors” die worden gebruikt in neurale netwerken en computers in staat stellen de werking van het menselijk brein na te bootsen.

Zijde is veel onderzocht als een manier om elektronische signalen te moduleren, maar controle is niet eenvoudig. Het PNNL‑team reguleerde daarom zorgvuldig de reactieve omstandigheden door individuele zijde‑vezels precies toe te voegen aan het water‑gebaseerde systeem dat een sterk geordende 2D‑laag van eiwitten in parallelle β‑sheets vormde.

Dit is slechts de eerste stap in gecontroleerde zijde‑lagen op functionele elektronische componenten, met toekomstig onderzoek gericht op het verbeteren van de stabiliteit en geleidbaarheid van zijde‑geïntegreerde circuits.

Een Grafeen ‘Tatoeage’ Implantaat om Onregelmatige Hartslagen te Behandelen

Ondertussen ontwikkelden onderzoekers van de Universiteit van Texas at Austin (UT) en Northwestern University een cardiaal implantaat met grafeen om hartritmestoornissen te behandelen.

Dergelijke stoornissen treden op wanneer het hart te langzaam of te snel klopt, en in veel gevallen kan dit leiden tot beroerte, hartfalen en zelfs plotselinge dood. Om hartritmestoornissen te behandelen, gebruiken artsen meestal implanteerbare pacemakers die onregelmatige hartslagen detecteren en via elektrische stimulatie het ritme corrigeren. 

Deze apparaten vereisen harde, rigide materialen die mechanisch niet compatibel zijn met het lichaam en daarom moeilijk op het hartoppervlak te bevestigen zijn. Ze kunnen tijdelijke ongemakken veroorzaken, zacht weefsel beschadigen, natuurlijke bewegingen beperken en complicaties induceren.

In tegenstelling tot deze, is het nieuwe biocompatibele implantaat een grafeen “tatoeage”, die in uiterlijk lijkt op een tijdelijke tatoeage. Het is dunner dan een enkele haarstreng, maar werkt als een klassieke pacemaker.

Het nieuwe dunne apparaat hecht zachtjes aan het hart om zowel onregelmatige hartslagen te detecteren als te behandelen. Het is flexibel genoeg om zich aan te passen aan de delicate contouren van het hart en sterk genoeg om de dynamische bewegingen van een kloppend hart aan te kunnen.

“Om biocompatibiliteitsredenen is grafeen bijzonder aantrekkelijk. Koolstof is de basis van het leven, dus het is een veilig materiaal dat al in verschillende klinische toepassingen wordt gebruikt. Het is bovendien flexibel en zacht, wat goed werkt als interface tussen elektronica en een zacht, mechanisch actief orgaan.”

– Senior auteur Igor Efimov

Om de grafeen‑tatoeage te omhullen en deze aan het oppervlak van een kloppend hart te laten hechten, werd grafeen ingekapseld in een siliconen elastisch membraan met een opening om toegang tot de grafeen‑elektrode te bieden. Een 10‑micron dikke gouden tape werd vervolgens op de omhullende laag geplaatst als verbinding tussen de grafeen en de externe elektronica die werd gebruikt om het hart te meten en te stimuleren.

De totale dikte van het apparaat bedroeg ongeveer 100 micrometer, en het bleef 60 dagen stabiel, vergelijkbaar met de duur van tijdelijke pacemakers.

Om het apparaat te testen, implanteerden de onderzoekers het in een rat en ontdekten dat het succesvol onregelmatige hartritmes kon detecteren en vervolgens elektrische stimulatie kon leveren via een reeks pulsen zonder de natuurlijke bewegingen van het hart te beïnvloeden. 

Opmerkelijk is dat de technologie optisch transparant is, wat betekent dat onderzoekers een externe lichtbron kunnen gebruiken om het hart via het apparaat te registreren en te stimuleren. Dit biedt een nieuwe benadering voor het identificeren en behandelen van hartgerelateerde ziekten en creëert nieuwe mogelijkheden voor optogenetica.

Zelfs Onvolmaakt Grafeen Heeft Grote Voordelen

Minder dan twee jaar geleden ontwikkelden onderzoekers van de Technische Universiteit van Wenen een computer‑model van realistische grafeenstructuren, die aantoonde dat de uitstekende elektronische eigenschappen van grafeen zeer stabiel zijn. Dit betekent dat zelfs niet‑perfecte grafeenstukken kunnen worden gebruikt voor technologische toepassingen.

De elektrische stroompropagatie in grafeen wordt berekend op atomair niveau in een echt klein stukje ervan. Professor Florian Libisch van het Instituut voor Theoretische Natuurkunde aan de TU Wien legde destijds uit dat elektronen verschillende manieren hebben om door het materiaal te bewegen, en niet alleen dat, maar ze kunnen meerdere paden tegelijk nemen, die op verschillende manieren kunnen overlappen.

De paden heffen elkaar op bij zeer specifieke energiewaarden, waarbij de waarschijnlijkheid dat elektronen door het grafeen‑stuk gaan extreem laag is en de elektrische stroom minimaal, wat “destructieve interferentie” wordt genoemd.

De dramatische afname van de stroom bij zeer specifieke energiewaarden is “een technologisch zeer gewenst effect”, dat kan worden gebruikt om informatie op een microschaal te verwerken, vergelijkbaar met elektronische componenten in computerchips, en voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumsensoren.

Het is echter niet zo simpel, aangezien de grootte en vorm van het grafeen‑stuk niet altijd gelijk zijn. Andere factoren zoals ongewenste atomen, trillende atomen en talrijke interacties tussen meerdere elektronen, die zeer moeilijk te berekenen zijn, moeten in aanmerking worden genomen om “het materiaal grafeen op een werkelijk realistische manier te beschrijven.”

Daarom combineerden de onderzoekers hun jarenlange ervaring in het nauwkeurig beschrijven van verschillende effecten in materialen in computermodellen om een uitgebreid model te ontwikkelen dat alle relevante foutbronnen en perturbatie‑effecten omvat die in grafeen bestaan. Dit stelde hen in staat aan te tonen dat de gewenste effecten zichtbaar blijven zelfs wanneer er foutbronnen aanwezig zijn. 

De studie is belangrijk gebleken in het demonstreren van het potentieel om kwantumeffecten in grafeen op een gecontroleerde manier te benutten.

Grafeen Omzetten in Kleine Magneten

Temidden hiervan voegden Duitse experts nog een aspect toe aan de diverse eigenschappen van grafeen, wat de potentie van het materiaal in magnetische schakelaars en opslagapparaten aantoonde.

Onderzoekers van de Universiteit van Duisburg‑Essen (UDE) voerden experimenten uit bij het Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR), waar ze korte terahertz (THz) pulsen afvuurden op kleine schijven van het materiaal, die ze zeer kort in zeer sterke magneten veranderden. Deze ontdekking kan nuttig zijn voor de ontwikkeling van toekomstige magnetische schakelaars en opslagapparaten.

Wat de wetenschappers hier deden, was bestaande halfgeleidermethoden gebruiken om duizenden grafeen‑schijven ter grootte van micrometers (μm) op een kleine chip te plaatsen, die vervolgens werden blootgesteld aan korte terahertz‑pulsen, een stralingstype dat tussen microgolf‑ en infraroodbereik valt.

Voor de lichtbron gebruikten ze een FELBE vrije‑elektron‑laser bij het HZDR die ultra‑intense terahertz‑pulsen kan produceren.

Naast micrometer‑grote schijven grafeen die in elektromagneten veranderden, genereerde het team magnetische velden in de orde van 0,5 Tesla (TSLA ), ongeveer 10.000 keer het magnetische veld van de aarde, die slechts tien picoseconden of één‑honderdste van een miljardste seconde duurden.

Om dit succes te bereiken, moesten de onderzoekers de terahertz‑flitsen op een bepaalde manier polariseren. Gespecialiseerde optiek veranderde de richting van de oscillatie van de straling zodat deze helicaal door de ruimte bewoog.

Wanneer de cirkelvormig gepolariseerde flitsen de kleine schijven raken, beginnen vrije elektronen erin te cirkelen, waardoor de schijven in feite in kleine elektromagneten veranderen.

Het eenvoudige en zeer efficiënte proces, volgens de onderzoekers, kan worden gebruikt voor wetenschappelijke experimenten om een gedetailleerder begrip van materiaaleigenschappen te verkrijgen. Opmerkelijk is dat het magnetische veld unipolair bleef, wat het gunstig maakt voor bepaalde experimenten.

In de toekomst kunnen deze kleine magneten zelfs worden toegepast in magnetische opslagtechnologie en spintronica.

Investeren in Grafeen

Een bedrijf dat opvalt in de grafeensector is CVD Equipment Corporation (CVV ). Het bedrijf ontwerpt en produceert systemen die worden gebruikt in chemische dampafzetting, een sleuteltechniek voor het produceren van hoogwaardig grafeen. En naarmate industrieën blijven zoeken naar praktische toepassingen voor grafeen, vooral in elektronica en materiaalkunde, kan de niche‑focus van CVD een strategisch voordeel bieden naarmate de vraag toeneemt.

CVD Equipment Corporation

Het in de VS gevestigde CVD Equipment ontwikkelt chemische dampafzettings‑systemen (CVD), die worden gebruikt om geavanceerde materialen zoals grafeen te creëren, evenals coatings die worden gebruikt in energie, lucht‑ en ruimtevaart en andere industrieën.

Het biedt ook grafeen‑R&D en gespecialiseerde productiesystemen om grafeen van hoge kwaliteit op schaal te produceren.

Het bedrijf opereert via twee segmenten. Het eerste is CVD Equipment, dat fysieke damptransport‑, chemische dampafzettings‑ en thermische procesapparatuur ontwerpt en produceert. Het tweede is Stainless Design Concepts (SDC), dat zich richt op ultra‑hoge zuiverheid gas‑ en chemische leverings‑controlesystemen.

Wat betreft de marktprestatie van CVD‑aandelen, op het moment van schrijven wordt er verhandeld tegen $2,84, een daling van 34 % YTD. Daarmee heeft het een marktkapitalisatie van $20 miljoen bereikt met een EPS (TTM) van -0,28 en een P/E (TTM) van -10,43.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, rapporteerde CVD een omzet van $26,9 miljoen voor het volledige jaar 2024, een stijging van 11,5 % op jaarbasis. Dit werd voornamelijk gedreven door een toename van de omzet uit lopende lucht‑ en ruimtevaartcontracten, het SDC‑segment, en de $0,8 miljoen aan eindverkopen van het MesoScribe‑segment, dat vorig jaar zijn activiteiten stopte.

De brutowinstmarge van CVD Equipment steeg in 2024 met 2,6 % naar 23,6 %. Het operationele verlies voor de periode bedroeg $2,4 miljoen, en het nettoverlies was $1,9 miljoen, of $0,28 per basis‑ en verwaterde aandeel.

Vorig jaar zag het bedrijf ook een stijging van 8,9 % in de boekingen van nieuwe orders, die $28,1 miljoen bereikten, terwijl de achterstand aan het einde van het jaar $19,4 miljoen bedroeg.

“Tijdens 2024 blijven we een aanhoudend herstel zien van onze lucht‑ en defensiemarkt,” zei CEO Manny Lakios, terwijl hij opmerkte dat de siliciumcarbide‑markt “uitdagend blijft vanwege overcapaciteit en de wereldwijde daling van waferprijzen.”

Laatste over CVD Equipment Corporation

Conclusie

Bekend om zijn lichtgewicht, flexibiliteit, sterkte en hoge elektrische geleidbaarheid, is grafeen uitgebreid onderzocht en toegepast in de energie‑, elektronica‑ en gezondheidssector.

Zoals hierboven vermeld, breiden verschillende opwindende ontwikkelingen, zoals stille spraak‑kraag en hart‑monitoring tatoeages, voortdurend de wereld van grafeen uit. Nu voegt de nieuwste ontdekking van het accordeoneffect in grafeen nog een eigenschap toe: verbeterde rekbaarheid, wat de compatibiliteit van dit magische materiaal met wearables aantoont.

In combinatie met zijn superieure elektrische, mechanische en biocompatibele eigenschappen is grafeen een zeer veelbelovend materiaal voor het aandrijven van de volgende generatie slimme wearables!

Klik hier om te leren hoe grafeen een cruciale rol zal spelen in 6G‑internet.

Gerefereerde Studies:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Corrugation‑gedomineerde mechanische verzachting van defect‑engineerde grafeen. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Ultrasensitieve textiel‑rekensoren herdefiniëren draagbare stille spraakinterfaces met hoge machine‑learning efficiëntie. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1