Natuurkundigen uit de Verenigde Staten ontdekten per ongeluk dat grafeen energie kan opwekken met behulp van het milieu en in de nabije toekomst een nieuw woord zal worden in energie en bionica.
Het bestaan van grafeen in de natuur is een fenomeen dat mogelijk werd doordat wetenschappers een "maas in de wet" in de natuurkundige wetten vonden en een continu tweedimensionaal atomair canvas dwongen zich te gedragen als een driedimensionaal materiaal. Steeds meer nieuwe studies onthullen nuttige toepassingen van dit materiaal en de voorspellingen klinken erg bemoedigend: het bleek dat grafeen kan worden gebruikt om een bijna oneindige hoeveelheid energie te verkrijgen!
Toevallige ontdekking
Een team van natuurkundigen onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Arkansas deed de ontdekking per ongeluk. Het oorspronkelijke doel van hun tests was om de vibratie van grafeen te bestuderen - maar waarvoor?
We zijn allemaal bekend met korrelig grafiet, dat vaak wordt gebruikt in combinatie met keramische componenten om een potloodschacht te maken. De zwarte strook die overblijft nadat de potloodstift over het papier is gelopen, zijn in feite dunne vellen koolstofatomen die gemakkelijk over elkaar glijden. Jarenlang hebben natuurkundigen zich afgevraagd: is het mogelijk om zo'n plaat te isoleren en er een onafhankelijk tweedimensionaal vlak van te maken?
In 2004 slaagden natuurkundigen van de Universiteit van Manchester erin. Om afzonderlijk van elkaar te kunnen bestaan, moeten vellen koolstofatomen zich als een driedimensionaal materiaal gedragen om de nodige stabiliteit te bieden. Het bleek dat de "maas in de wet" in dit geval de verplaatsing van mobiele atomen is, waardoor grafeen de eigenschappen van de derde dimensie krijgt. Met andere woorden, grafeen was nooit 100% vlak - het trilde op atomair niveau zodat zijn bindingen niet spontaan zouden vervallen.
Om het niveau van deze verplaatsing en vibratie te meten, leidde natuurkundige Paul Tibado onlangs een groep afgestudeerde studenten en deed hij een heel eenvoudige studie met hen. Wetenschappers legden vellen grafeen op een speciaal kopernet en observeerden met een microscoop veranderingen in de posities van atomen. De cijfers kwamen om de een of andere reden echter niet overeen met het verwachte model. Bovendien varieerden de gegevens van proef tot proef.
Promotie video:
Grafeen als energiebron
Thibado besloot om het experiment in een andere richting te nemen, door een geschikt sjabloon te vinden en de manier waarop hij de gegevens analyseerde te veranderen. Onderzoekers hebben elk beeld dat tijdens de meting is gemaakt, opgedeeld in subbeelden. De strategie bleek correct te zijn: het grootschalige beeld stond het bestuderen van de bewegingswetten van atomen niet toe, maar de analyse van de bijzonderheden als resultaat stelde ons in staat iets interessants te ontdekken. Aangenomen werd dat de grafeenplaten volgens hetzelfde principe bewogen als gebogen metalen platen - maar deze aanname bleek onjuist te zijn.
Het bleek dat het hele punt zit in de zogenaamde "Levy-vluchten" - patronen van kleine willekeurige fluctuaties gecombineerd met plotselinge, scherpe verschuivingen. Dergelijke systemen werden eerder waargenomen in biologische en klimatologische systemen, maar natuurkundigen hebben ze voor het eerst op atomaire schaal gezien. Door de snelheid en schaal van deze grafeengolven te meten, suggereerde Thibado dat ze zouden kunnen worden gebruikt om energie uit de omgeving te halen.
Zolang de temperatuur van de omgeving de "comfortabele" beweging van grafeenatomen ten opzichte van elkaar verhindert, zullen ze blijven pulseren en buigen. Plaats elektroden aan weerszijden van een gedeelte van dit grafeen en je hebt een kleine generator. Volgens berekeningen heeft een grafiek van 10x10 micron grafeen een vermogen van 10 microwatt. Als je bedenkt dat er in de punt van een speld maar liefst 20.000 van deze vierkanten passen, ziet zo'n 'krachtpatser' er niet erg indrukwekkend uit, toch? Dit vermogen bij kamertemperatuur is echter voldoende om energie te leveren aan een klein apparaatje, bijvoorbeeld een polshorloge. Het is ook interessant dat een dergelijke methode om energie te verkrijgen in de toekomst kan leiden tot de creatie van bio-implantaten, waarvoor geen grote batterijen nodig zijn.
Gevolgtrekking
Chibado werkt momenteel samen met wetenschappers van het US Naval Research Laboratory om te zien of deze strategie toekomst heeft. Misschien is het grafeen dat de bron van "energie van de toekomst" zal worden, waardoor technologieën in de nabije toekomst een belangrijke doorbraak kunnen realiseren.
Vasily Makarov
