Het is een bijzonder materiaal, dat grafeen. Slechts één atoom dik maar toch supersterk. ‘Het sterkste materiaal in de wereld’, zegt Gottardi, promovendus bij het Zernike Institute for Advanced Materials. ‘Maar alleen als het perfect is.’

Perfect

En dat is het alleen als het vrijstaand is, als er geen contact is met een substraat of ander materiaal. Maar het probleem is dat wanneer het wél in contact komt met een substraat, bijvoorbeeld het substraat waar het op groeit, dan veranderen, verzwakken of verdwijnen die belangrijke eigenschappen van het grafeen.

Dat perfecte grafeen bestond nog niet – al doen wetenschappers over de hele wereld er onderzoek naar.

Meike Stöhr en Stefano Gottardi vonden het. Ze máákten het, beter gezegd, met hun team in hun eigen oven in het lab. En om tot dat ‘supergrafeen’ te komen, onderzochten ze niet alleen de eigenschappen van grafeen maar ook de eigenschappen van de oppervlakten waarop het groeit.

Kweken van grafeen

Het is namelijk nogal een uitdaging om een substraat – een stof die in een chemische reactie als katalysator werkt – te vinden dat grafeen met de goede eigenschappen oplevert, volgens Gottardi. ‘Meestal gebruiken we daar een overgangsmetaal voor, maar vaak gaat dit metaal een interactie aan met het grafeen en verslechtert of verandert zo de eigenschappen.’

Het kweken van grafeen gebeurt nu nog via ‘chemical vapor deposition’. Je laat de dampen van een koolstofhoudende grondstof, zoals methaan, in contact komen met een katalytisch actief oppervlak. De grondstof verbrandt dan en een dun laagje koolstof blijft achter op het metaal.

CH4, methaan, is de stof die wordt omgezet in zo’n chemische reactie: de waterstofatomen zijn afgesplitst en de resterende koolstofatomen zullen verbinden met het grafeen. Het zogenaamde substraat – in dit geval Cu – katalyseert de reactie. Dat betekent dat door de katalysatie er minder energie is om deze reactie te laten gebeuren.

Toeval

Dat dit allemaal goed lukt op overgangsmaterialen, is al heel lang bekend. Maar de ondergrond van metaal beïnvloedt dus de elektronen in het grafeen en daarmee dus de belangrijke elektronische eigenschappen van grafeen.

Om de eigenschappen vervolgens te herstellen is het nodig om het grafeen over te brengen om een neutrale drager, maar het overzetten van zo’n dunne laag is bijzonder lastig en kan ook weer beschadigingen veroorzaken, zegt assistent professor Meike Stöhr.

Dat het ook anders kan, daar kwamen ze eigenlijk bij toeval achter, zegt Gottardi. ‘Meestal gebruiken we koperfolie als substraat, maar toen we een keer een monster met grafeen bekeken, viel ons iets op.’ Op het monster was niet alleen koper aanwezig – afkomstig van het substraat – maar ook koperoxide. En daarop leek een laagje grafeen te zijn gevormd.

Geoxideerd metaal

‘Ja, en dan?’, zou je nu kunnen denken. Zo’n overgangsmateriaal geeft toch interactie met dat grafeen? ‘Een geoxideerd metaal dus niet’, legt Stöhr uit. ‘En dat maakt dit zo’n belangrijke ontdekking. Dat een ondergrond van een niet-geleidend metaaloxide geen interactie zou geven, was tot nu toe slechts een idee.’

Dat het kon, was een ontdekking die ze drie jaar geleden eigenlijk al deden. Die drie jaar hebben ze nodig gehad om uit te zoeken wat er precies met dat monster gebeurde, om vervolgens grafeen te kunnen kweken op koperoxide.

Dat is ze nu dus gelukt. ‘Het grafeen en al de bijzondere eigenschappen zijn helemaal intact gebleven’, zegt Gottardi. ‘Je kunt grafeen dus echt kweken op koperoxide. We hopen dat we nu eindelijk grafeen op grote schaal in elektronische schakelingen kunnen verwerken.’

Maar zover is het nog niet. ‘Eerst moeten andere laboratoria onze bevindingen nog reproduceren’, zegt Stöhr. ‘Het ligt nu niet meer in onze handen.’