Golfgrafeen of adamantia lijkt een nieuwe verschijningsvorm van koolstof (afb: Joël Thierrin)

Koolstof blijft verbazen. We kennen dat element in de vorm van het hardste materiaal dat er bestaat (diamant) maar ook in de ultrazachte, ‘glijdende’ vorm (grafiet). Later kwamen daar de buckyballen (fullerenen) en grafeen bij. Nu schijnt er bij toeval een nieuwe verschijningsvorm van koolstof te zijn ontdekt dat harder is dan roestvast staal, bijna even geleidend en spiegelt als een gepolijste aluminium spiegel. Daarnaast is het nieuwe ‘grafeen’ nog (ferro)magnetisch ook tot 125°C. Onderzoekers denken aan lichtgewichtdeklagen, medische en elektronische producten of zelfs zonnecellen.
De ontdekking werd bekend gemaakt op een congres begin november door Joël Therrien van de universiteit van Massachusetts. Die bekendmaking leidde onder de tientallen toehoorders tot geestdrift maar ook voorzichtigheid. “Natuurlijk zal er veel interesse zijn als die resultaten zijn gepubliceerd en gerepliceerd door anderen”, zegt Qiang Wang van de universiteit van Peking. Ze merkt op dat koolstof een stuk lichter is dan andere ferromagnetische materialen zoals ijzer, mangaan en nikkel. Bovendien is koolstof niet giftig. “Als koolstof magnetisch kan zijn dan is die stof prima geschikt voor biosensoren of voor medicijnafgifte.”
Rob Whetten van de universiteit van Noord-Arizona gelooft er wel in. Hij herinnert zich nog de situatie in de jaren 80 toen de fullerenen (de buckyballen van 60 C-atomen) werden ontdekt. “Toen was men, ondanks alle bewijs, erg skeptisch. ” Hij wijst er echter ook op dat ideeën over magnetisch koolstof begin deze eeuw in duigen vielen toen achteraf bleek dat dat kwam door vervuiling van de monsters.
De onderzoekers hebben alleen nog maar dunne velletjes van het materiaal gemaakt. Die hebben ze bestudeerd met behulp van elektronenmikroskoop en röntgenspectrometers. “Veel moet nog worden bepaald”, zegt Pulickel Ajayan van de Rice-universiteit. We proberen erg zorgvuldig te zijn.” De onderzoekers stellen tot op heden geen ongerechtigheden te hebben waargenomen. Uitgaande van de theorie en gebaseerd op analyse gaan ze er van uit dat het materiaal bestaan uit gegolfde lagen van met elkaar verbonden koolstofatomen, zoals wasborden, met verbindingen tussen de lagen.
Sumio Iijima van de Japanse Meijo-universiteit, in 1991 ‘ontdekker’ van de koolstofnanobuisjes, vindt de gepresenteerde gegevens niet genoeg om overtuigend te zijn. Hij wil zekerheid en daartoe zouden de onderzoekers röntgenkristallografie moeten gebruiken.

Mislukking

Volgens Therrien is de ontdekking eigenlijk het gevolg geweest van een mislukking. De onderzoeker wilden pentagrafeen maken. Daarin zitten de koolstofatomen niet , zoals in grafeen, in zesringen met elkaar verbonden maar in vijfringen. Dat zou theoretisch mogelijk zijn. Daartoe gebruikten hij een techniek die bekend staat als ‘geometrische frustrering’. Daarbij werd een katalysator, een stukje koperfolie, midden in een opdampoven geplaatst en verhit tot 800°C. In plaats van een klein koolwaterstofmolecuul zoals methaan in de oven te spuiten, gebruikte hij 2,2-dimethylbutaan, een goedkoop aardolieproduct. Dat molecuul heeft een keten van vier koolstofatomen met aan het tweede nog eens twee koolstofatomen.
Die verbinding wordt in de hete oven bij de katalysator afgebroken in kleinere brokstukken of aparte atomen. Die herschikken zich dan weer tot grafeen of kristallen zoals diamant. Therrien ging er van uit dat die ‘kromme’ keten van de koolstof-6-verbinding behouden zou blijven. Daardoor ontstond een geometrische ‘dwangsituatie’ die de ‘gefrustreerde’ koolstofgroep niets anders overliet dan een vijfring te vormen.

Dat gebeurde niet. Therrien vertelde dat hij op 13 november 2017 na een avondcollege weer naar het lab ging. Hij rook teer. De binnenkant van de over was zwart geteerd, maar het koperfolie was bedekt door iets dat op gepolijst zilver leek. Hij was als verlamd. Hij heeft een half uur staan staren terwijl hij probeerde te bedenken wat dat zou kunnen zijn.
Na twee jaar proefnemen met ook andere koolstofverbindingen slaagden de onderzoekers er in steeds weer hetzelfde resultaat te bereiken in laagjes van 1 mikron dik met een oppervlak van enkele vierkante centimeters. Volgens Pura Jena van de Virginia Commonwealth-universiteit zouden dat volgens de theorie gegolfde lagen van C-atomen moeten zijn die met elkaar verbonden zijn in zes- of twaalfringen via covalente bindingen.
Volgens Ajayan bevestigen de eerste analyses de voorspelde golfstructuur. Die gegevens bevestigen ook een andere voorspelling van Jena, namelijk dat de koolstofatomen met elkaar verbonden zijn door het delen van elektronen op zo’n manier dat hun spins zich voegen. “Dat zorgt voor ferromagnetisme”, zegt Jena. Op de bijeenkomst demonstreerde Therrien die eigenschap door een stukje van het golfgrafeen in water te bewegen met een magneet. Die eigenschap zou het materiaal tot zo’n 125°C behouden. Die eigenschap is nog nooit eerder bij zuivere koolstof waargenomen.

Keihard

Daarbij blijkt het ook nog eens erg keihard te zijn. Therrein: “We probeerden het materiaal te bekrassen met steenwol maar dat werkte niet. Het enige materiaal dat krassen veroorzaakt is diamant.” Allerlei eigenschappen van het materiaal zoals treksterkte moeten nog bepaald worden, maar hij denkt dat het materiaal zo sterk moet zijn als sommige metalen.
Bij al die opmerkelijk eigenschappen komt dan nog eens het spiegelend uiterlijk. Een laagje van 50 nm dik zou 90% van het inkomende licht weerkaatsen (van verultraviolet tot middeninfrarood, dus inclusief het zichtbare licht). Dat zou het materiaal geschikt maken als reflector in plaats van aluminium dat nu voor spiegels in camera’s en teleskopen wordt gebruikt.

De geleidbaarheid komt in de buurt van roestvast staal, maar na een hittebehandeling bij 1000°C verdwijnt de glans en ontstaat er een halfgeleider met een bandkloof van silicium. Daarmee zouden dus zonnecellen te maken zijn.
Therrien is optimistisch over de mogelijkheden van ‘geometrische frustratie’ om nieuwe alloptropen (verschijningsvormen) te maken van koolstof en andere elementen. “Zelfs al werkt het alleen bij koolstof, dan moet de gedachte dat je waarschijnlijk honderden verschillende allotropen zou kunnen synthetiseren die methode toch wel erg aantrekkelijk maken.”

De onderzoekers hebben nog geen naam bedacht voor het golfgrafeen. Jena heeft het over U-koolstof-U, waarbij de U staat voor het Engelse woord voor ongebruikelijk. Thierrin opteert meer voor een op de oude alchemisten geïnspireerde naam: adamantia.

Bron: Science