Deze toepassingen moet grafeen binnenkort opleveren

Meer dan 60 Europese wetenschappers en partners uit het bedrijfsleven ontvouwen in het tijdschrift Nanoscale hun stappenplan voor de toepassing van grafeen in producten voor de markt. De routekaart bestrijkt het verwachte onderzoek voor de komende tien jaar en verder en dient als gids voor wetenschap en bedrijfsleven bij de ontwikkeling van producten die gebaseerd zijn op deze bijzondere materialen.

Het extreem dunne en buigzame materiaal grafeen, gemaakt van een enkele laag koolstofatomen, is een van de sterkste materialen die bestaan en heeft heel bijzondere elektrische en optische eigenschappen. Het gebruik van grafeen en andere tweedimensionale (2d) materialen zal voor een revolutie zorgen in de onderzoeksgebieden waar deze worden toegepast. Er zijn talloze mogelijkheden denkbaar. Grafeen kan bijvoorbeeld worden toegepast in biomedische hulpmiddelen, energieomzetting en elektronica.

Grafeen als sensor

Een van de auteurs is chemicus en onderzoeksleider Grégory F. Schneider, werkzaam bij het Leids Instituut voor Chemie. Zijn groep doet interdisciplinair onderzoek naar grafeen op het gebied van bionanotechnologie. De onderzoekers willen de chemische eigenschappen van grafeen onder andere gebruiken als sensor, door de oppervlakte- en randreactiviteit van het materiaal te benutten. Schneider: ‘Voor dit doel heeft grafeen drie fantastische eigenschappen: het materiaal geleidt uitstekend elektriciteit, de randen zijn slechts een enkele koolstofatoom dun en het feit dat alle atomen zich aan de oppervlakte bevinden, maakt grafeen erg gevoelig voor omgevingsveranderingen.’

DNA-sequencing

Eén van de toepassingen waarvan hij droomt, is DNA-sequencing. Met een juiste configuratie zou een grafeenrand een enkel DNA-molecuul van kop tot staart kunnen scannen, en de genoomsequentie real time lineair aflezen. Hij vermoedt dat het nog minstens 20 jaar kan duren voordat dit gerealiseerd kan worden. ‘Maar ik hoop dat er al veel eerder een proof-of-concept zal zijn.’ Als trekker van dit onderzoek toonde Schneider aan dat grafeen nu al gebruikt kan worden om afzonderlijke DNA-strengen te detecteren, maar de nucleotide sequentie in zo’n streng kan nog niet worden afgelezen. ‘Er zijn nog veel bottle necks om dit uiteindelijke doel te bereiken’, aldus Schneider.

Snelle toepassingen van grafeen

Andere toepassingen zijn een stuk sneller binnen handbereik. Waarschijnlijk duurt het nog geen tien jaar voordat producten op het gebied van flexibele elektronica, composieten en energie al bijna gereed zijn om de markt op te gaan. Binnen dit tijdbestek zijn vermoedelijk ook geavanceerde prototypes van silicium geïntegreerde fotonische apparaten en biomedische apparaten ontwikkeld.

Van fundamentele wetenschap tot gezondheid en milieu

De auteurs wijzen elf thema’s aan op het gebied van wetenschap en technologie, zoals fundamentele wetenschap, gezondheid en milieu, elektronische apparaten, energieconversie en opslag en biomedische hulpmiddelen. Voor elk van deze gebieden geeft het stappenplan een gewenst tijdschema. Schneider: ‘Deze routekaart geeft een overzicht van de meest recente wereldwijde activiteiten in het onderzoek naar grafeen en stelt nieuwe onderzoeksrichtingen voor. Ik geloof dat dit interdisciplinair en grensverleggend onderzoek op zal leveren en aanzetten tot innovatie, zowel in de wetenschap als in het bedrijfsleven.’