Grafeen is al een poosje het nieuwe lievelingsmolecuul van natuurkundigen. In de vorm van gestapelde laagjes koolstofatomen in een kippengaaspatroon is het weliswaar al eeuwen bekend als grafiet. Maar sinds het Andre Geim in 2004 lukte om, met hulp van een rolletje plakband, losse, vlakke laagjes van één atoom dik te prepareren, is grafeen een gewild artikel geworden in natuurkundelaboratoria. De kippengaaslaagjes hebben uitzonderlijke elektronische en mechanische eigenschappen, onderzoekers hopen er nano-elektronica mee te maken, of ultrasterke vezels en folies. Die zou je bijvoorbeeld kunnen gebruiken voor een ruimtelift, een kabel die vanaf de grond rechtstreeks naar een satelliet op 35.786 kilometer hoogte loopt. Daarmee kun je satellieten, ruimtesondes en bemande ruimtevaartuigen veel goedkoper de ruimte in krijgen dan met raketten, is de hoop. Er is alleen een probleem: er is geen materiaal dat sterk genoeg is om zichzelf te ondersteunen over die hoogtes, laat staan ook nog de belasting van een liftcabine. Maar misschien dat grafeen de basis kan vormen van zo’n materiaal. Die hoop wordt nu nog eens gevoed door een Science-publicatie van Changgu Lee van Columbia University in New York in de VS en collega’s. Met een ingenieuze techniek maten ze de sterkte van laagjes grafeen van één atoom dik, dat in hun woorden ‘het sterkste materiaal ooit gemeten’ blijkt te zijn. De truc zat hem vooral in het ophangen van laagjes grafeen, zo dat er op een gecontroleerde manier in geprikt en aan getrokken kan worden. In eerdere experimenten werden enkel-atoom-laagjes grafeen opgehangen tussen individuele punten, waardoor de krachtenverdeling moeilijk na te gaan was. Met technieken die normaal gebruikt worden om computerchips te etsen maakten Lee en collega’s een reeks ronde putjes in silicium, waarover ze vervolgens dunne strookjes grafeen drapeerden. Die blijven vanzelf plakken door de aantrekkende Van der Waals-krachten tussen grafeen en silicium. Daarna prikten de onderzoekers in de grafeen-trommelvelletjes met de diamanten punt van een Atomic Force Microscope. Dat is een extreem gevoelig aftastmechanisme waarmee minieme krachten en verplaatsingen van nanometers gemeten kunnen worden (een nanometer is een miljoenste millimeter). Door precies bij te houden hoe diep het grafeenvliesje indeukt bij een bepaalde kracht, maten de onderzoekers hoeveel het trommelvel opgerekt wordt. Daaruit viel de sterkte en de elasticiteit van het grafeen weer te berekenen. De breeksterkte kwam volgens de onderzoekers behoorlijk in de buurt van de theoretische maximumsterkte, ofwel de sterkte van een materiaal zonder onvolkomenheden, zoals ontbrekende atomen of atomen die niet helemaal in het rooster passen. Dat betekent dat grafeen in twee dimensies sterker is dan alle andere materialen, en mogelijk geschikt voor ruimtelift-linten. De vraag is nu of de gemeten sterkte op nanoschaal te vertalen is naar vezel op grote schaal. Als om te laten zien dat grafeen echt in de mode is, publiceert Nature een artikel over het gebruik van grafeen als achtergrondje voor het ‘zien’ van losse atomen met een elektronenmicroscoop. Een elektronenmicroscoop gebruikt elektronen in plaats van licht om extreem kleine details te zien, en in de laatste jaren is de techniek daarvoor zo sterk verbeterd dat op de opnamen grotere atomen te onderscheiden zijn. Alleen lichtere atomen, zoals koolstof en waterstof waren nog te klein. Maar Jannik Meyer en nog drie onderzoekers van de University of California en het Lawrence Berkeley National Laboratory, beide in Berkeley, is het nu wel gelukt. De truc was het spannen van een ‘netje’ van grafeen, waarop de losse atomen stil blijven liggen. Zo zijn de losse atomen is met een elektronenmicroscoop net te onderscheiden, hoewel je voor het kleine waterstof wel forse computersimulaties op de beelden los moet laten. De grafeen-achtergrond bijft onzichtbaar. Met de nieuwe techniek kunnen chemici reacties tussen losse atomen en moleculen onderzoeken, is de hoop.Het ‘voelen’ van losse atomen was met Atomic Force Microscopes al een routineklus geworden, maar nu zijn ze dan ook echt gezien, al is het dan niet met licht. Bruno van Wayenburg Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey Kysar, James Hone, ‘Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene’, Science, 18 juli 2008 Jannik Meyer, C.O. Girit, M.F. Crommie, A. Zettl, ‘Imaging and dynamics of light atoms and molecules on graphene’, Nature, 17 juli 2008