Grafeenmonoxide: het strak geordende neefje van grafeenoxide
Grafeen is een laag koolstofatomen van precies één atoom dik, gerangschikt in een honingraatpatroon. Het is beroemd om zijn sterkte en geleidingsvermogen. Wanneer je grafeen chemisch behandelt met zuurstof, ontstaat grafeenoxide (GO): een laag waarin hier en daar willekeurig zuurstofgroepjes aan de koolstofatomen vastzitten, een beetje zoals sproeten willekeurig verspreid over een gezicht. Grafeenoxide is al jaren een veelgebruikt materiaal, onder meer in waterfilters en composietmaterialen.
Grafeenmonoxide (GMO) is iets anders, en veel minder bekend. In plaats van willekeurig verspreide zuurstofgroepen heeft dit materiaal een strak, herhaald patroon: precies één zuurstofatoom per twee koolstofatomen, netjes gerangschikt als tegels op een geblokte vloer. Waar grafeenoxide dus lijkt op sproeten, lijkt grafeenmonoxide op een dambordpatroon dat exact herhaald wordt over het hele oppervlak. Dat verschil in ordening maakt het voor natuurkundigen en materiaalwetenschappers een intrigerend studieobject, al bestaat het tot nu toe alleen in kleine stukjes gemaakt onder zeer specifieke laboratoriumomstandigheden.
Wat is het precies?
Om grafeenmonoxide te begrijpen, helpt het om eerst het verschil met grafeenoxide scherp te krijgen. In grafeenoxide kunnen zuurstofatomen op verschillende manieren aan het koolstofrooster vastzitten: als losse hydroxylgroepen (een zuurstof- met een waterstofatoom), als epoxidegroepen (een zuurstofatoom dat als een bruggetje tussen twee koolstofatomen hangt) of als carboxylgroepen aan de randen. Deze groepen zitten door elkaar, zonder duidelijk patroon. Daardoor is grafeenoxide een wanordelijk, elektrisch isolerend materiaal.
Grafeenmonoxide bestaat daarentegen vrijwel uitsluitend uit epoxidebruggetjes, maar dan niet willekeurig verspreid: ze vormen samen een herhalend, kristallijn rooster met een vaste verhouding van twee koolstofatomen op elk zuurstofatoom (vandaar de chemische formule C2O). Dat maakt het strikt genomen een eigen kristal, met zijn eigen atomaire eenheidscel, in plaats van een 'vervuilde' versie van grafeen.
Onderzoekers hebben tot nu toe twee manieren gevonden om kleine stukjes van dit materiaal te maken. De eerste is door grafeen te laten groeien op een schoon nikkelkristal (specifiek het zogeheten Ni(111)-vlak) onder vacuümomstandigheden. Tussen het groeiende grafeen en het nikkel kan zich dan, ingeklemd en beschermd tegen de buitenlucht, een geordende oxidelaag vormen. Dit werk wordt onder meer toegeschreven aan onderzoek van J. Lahiri en collega's, gepubliceerd rond 2010.
De tweede methode gaat uit van gewone grafeenoxide, die vervolgens in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) wordt bekeken: een microscoop die een bundel elektronen gebruikt in plaats van licht, waardoor je individuele atomen kunt zien. Onder de warmte en straling van de elektronenbundel kunnen de wanordelijke zuurstofgroepen in kleine plekjes van de GO-flake herschikken tot de geordende C2O-structuur. Op deze manier is grafeenmonoxide rond 2014 direct, atoom voor atoom, in beeld gebracht door een onderzoeksgroep verbonden aan Warwick en Manchester.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter dit onderzoek is fundamentele nieuwsgierigheid naar nieuwe tweedimensionale kristallen. Grafeen zelf heeft een bijzondere eigenschap die ook een beperking is: het heeft geen 'bandgap'. Een bandgap is de energiekloof die elektronen moeten overbruggen om van een isolerende naar een geleidende toestand te gaan; transistors, de schakelaars in elke chip, hebben zo'n kloof nodig om echt 'uit' te kunnen staan. Omdat grafeen die kloof mist, is het moeilijk om er klassieke digitale schakelingen mee te bouwen.
Geordende oxidefasen zoals grafeenmonoxide zouden mogelijk lokaal wél een bandgap kunnen invoeren, terwijl de rest van het vel gewoon grafeen blijft. Dat zou in theorie de weg openen naar nanodraadjes, tunnelbarrières of schakelelementen die volledig zijn opgebouwd uit één en dezelfde koolstoflaag, zonder dat je andere materialen moet toevoegen. Daarnaast helpt het onderzoek om beter te begrijpen hoe grafeen precies oxideert en corrodeert, kennis die ook relevant is voor het beschermen van grafeen in coatings en elektronica. Het past verder in een bredere trend om verschillende tweedimensionale materialen als bouwstenen te combineren, vergelijkbaar met Lego-blokjes op atomaire schaal.
Voorbeelden uit de praktijk
Omdat grafeenmonoxide een smal, fundamenteel onderzoeksveld is, gaat het hier niet om grote industriële projecten maar om specifieke wetenschappelijke studies.
- Rond 2010 beschreef een onderzoeksgroep, met J. Lahiri als eerste auteur, hoe grafeen gegroeid op een nikkelkristal een ingeklemde, geordende oxidelaag opleverde, waarbij grensvlakken binnen die laag zich gedroegen als extreem smalle geleidende kanaaltjes in een verder isolerende omgeving.
- Rond 2014 publiceerde een groep verbonden aan de universiteiten van Warwick en Manchester (met onder anderen R.J. Kashtiban en R.R. Nair) beelden uit een transmissie-elektronenmicroscoop waarop voor het eerst direct, atoom voor atoom, de geordende C2O-kristalstructuur van grafeenmonoxide te zien was, ontstaan uit gewone grafeenoxide.
- Op basis van dit soort experimentele waarnemingen zijn er theoretische studies met dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT, een rekenmethode om elektronenstructuren te voorspellen) uitgevoerd die suggereren dat grafeenmonoxide, in tegenstelling tot gewoon grafeen, wél een bandgap zou moeten hebben.
- Binnen het bredere onderzoek naar grafeenoxide aan instituten zoals het National Graphene Institute in Manchester wordt nog altijd gekeken naar verwante, deels geordende oxidefasen, als onderdeel van het uitpluizen van de complexe 'familie' van grafeen-oxideverbindingen.
Hoe ver is de techniek?
Grafeenmonoxide bevindt zich nog volledig in de fundamentele onderzoeksfase. De stukjes materiaal die tot nu toe zijn waargenomen, zijn typisch maar enkele nanometers groot en zitten ingebed in een groter stuk grafeenoxide of ingeklemd tussen grafeen en een metalen ondergrond. Er is geen bekende methode om grote, vrijstaande, stabiele vellen grafeenmonoxide te maken die je bijvoorbeeld in een chip zou kunnen verwerken.
Een belangrijk obstakel is dat het materiaal waarschijnlijk instabiel of reactief is zodra het uit zijn beschermde omgeving (vacuüm, ingeklemd tussen andere materialen, of onder een elektronenbundel) wordt gehaald. Ook is het lastig om precies te controleren waar en hoe groot de geordende plekjes ontstaan, en om de elektrische eigenschappen ervan direct te meten omdat de domeinen zo klein zijn. Sinds de eerste waarnemingen rond 2010 en 2014 zijn er relatief weinig grote vervolgstudies gepubliceerd, wat erop wijst dat dit een niche-onderwerp is gebleven binnen de bredere grafeenchemie, en niet een technologie die op weg is naar toepassing op korte termijn. Voor een leek is de eerlijkste samenvatting: dit is nog puur laboratoriumwetenschap, met nog geen concreet zicht op praktische producten.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar grafeenmonoxide is geconcentreerd bij een klein aantal universiteiten die ook een voortrekkersrol spelen in het bredere grafeenonderzoek. De groei-methode op nikkel wordt geassocieerd met een Amerikaanse onderzoeksgroep (University of South Florida), terwijl de atomaire beeldvorming met de elektronenmicroscoop is uitgevoerd door onderzoekers verbonden aan de University of Warwick en de University of Manchester, waar zich ook het National Graphene Institute bevindt — het instituut dat is opgericht na de Nobelprijs voor grafeen aan Andre Geim en Konstantin Novoselov in 2010.
Geavanceerde elektronenmicroscopietechnieken die nodig zijn om zulke materialen atoom voor atoom te bekijken, worden vaak mede ontwikkeld met faciliteiten van grote onderzoekslaboratoria zoals het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten. Breder gezien valt dit type onderzoek in het Verenigd Koninkrijk en de Europese Unie mede onder de koepel van het Graphene Flagship, een groot EU-financieringsprogramma voor grafeenonderzoek. Buiten deze kern van instituten is grafeenmonoxide specifiek nog geen onderwerp waarop veel andere landen of bedrijven zich actief richten; het overgrote deel van het onderzoek naar grafeenoxide in bijvoorbeeld China, Zuid-Korea en de rest van Europa richt zich op de wanordelijke, industrieel toepasbare variant, niet op deze zeldzame geordende oxidefase.