donderdag 7 oktober 2010

Grafeen en palladium

Alle bètawetenschappen kennen sedert gisteren hun nieuwe Nobellaureaten:
  • Geneeskunde en fysiologie: Robert Edwards (75 jr.) voor zijn werk rond in vitro fertilisatie. De “proefbuisbaby's” dus.
  • Fysica: André Geim (51 jr.) en Konstantin Novoselov (36 jr.) voor het isoleren van grafeen
  • Chemie: Richard Heck (79 jr.), Eiichi Negishi (75 jr.) en Akiri Suzuki (80 jr.) voor het ontwikkelen van palladium gekatalyseerde crosskoppeling in organische synthese.
image
Ik laat in dit bericht de proefbuisbaby's een beetje oneerbiedig aan de kant liggen. Alhoewel dit uiteraard een zeer belangrijke ontwikkeling is, met enorme sociologische gevolgen.
Maar grafeen en palladium-katalysatoren liggen bij mij, als chemist, gewoon in een  hoger laatje.
Trouwens, ondanks het gegeven dat de ontdekking van grafeen beloond is met de Nobelprijs fysica, is grafeen eigenlijk pure chemie. Twee Nobelprijzen chemie dus eigenlijk.

De isolatie van grafeen is het gemakkelijkst toe te lichten.
De werking van de palladium-katalysatoren is een ingewikkeld technisch verhaal dat nogal wat chemisch vakjargon vraagt om uit te leggen. Ik zal daarom nogal oppervlakkig blijven.

Grafeen is tegelijkertijd een zeer eenvoudig en een zeer uitzonderlijk materiaal.
Eenvoudig omdat het verdoken aanwezig is in grafiet en slechts uit één atoomsoort, koolstof, is opgebouwd.
Grafiet is de zwarte stof in potlood.
Grafiet is opgebouwd uit verschillende lagen grafeen. Die lagen zijn onderling zwak gebonden en kunnen dus gemakkelijk over elkaar schuiven. Bij het schrijven met een potlood wrijven we eigenlijk laagjes grafiet van de stift af en op het papier.
Maar hou er wel rekening mee dat een potloofstreep van 0,1 mm dik toch wel zo’n 300.000 gestapelde grafeenlagen bevat! We zitten hier immers over een nanowereldje (grootte-orde 10-9 meter) te praten.
De zwakke binding tussen de grafeenlagen, draagt ook bij tot het gebruik van grafiet als smeermiddel. Maar ook de aanwezigheid van o.a. watermoleculen tussen de lagen spelen een rol in de smerende werking van grafiet.

image

Grafeen is dus de stof die je krijgt als je één laagje uit grafiet kan isoleren.
Daar zijn Geim en Novoselov in 2004 in geslaagd
En dan krijg je een zeer uitzonderlijke stof.
Een ultradunne stof, slechts 1 atoom dik, en dus te bekijken als een stof die eigenlijk maar twee dimensies heeft: een vlak met een te verwaarlozen dikte. 
Door haar minimale dikte is te stof eenvoudigweg transparant.
Maar door de sterke binding tussen de C-atomen onderling in de laag, is grafeen meteen één van de sterkste materialen: 100 keer sterker dan staal.
Het is ook een stof met een zeer hoge dichtheid: de afmeting van de poriën zijn zo miniem dat er geen andere atomen (laat staan moleculen) door kunnen.
En grafeen is ook een zeer sterk geleidend materiaal.

Meteen staan er een groot aantal mogelijke toepassingen te wachten: elektronica, aanraakschermen, zonnecellen,… En via openingen in de laag: selectieve filtering en zelfs opheldering van de structuur van ingewikkelde moleculen zoals b.v. stukken DNA.
Grafeen zal ongetwijfeld voor een stuk de technologische evolutie in de komende jaren mee bepalen. We krijgen er dus allemaal mee te maken.
En nog iets: André Geim, de meest extroverte van de twee fysica-laureaten, heeft 10 jaar geleden al eens een Ig-Nobelprijs gewonnen, door een kikker te laten zweven in een sterk magnetisch veld. Je kan dat hier zien.
De meer teruggetrokken leerling van Geim, Konstantin Novoselov, is dan weer een zeer jonge laureaat: pas 36 jaar en nu al de hoogste onderscheiding die een wetenschapper kan krijgen!

Wellicht zullen we in de toekomst ook verder profiteren van het werk van de Nobellaureaten chemie.
Inderdaad verder profiteren, want hun techniek vindt al jarenlang toepassing bij de synthese van belangrijke verbindingen in de farmacie bijvoorbeeld.
Waarover gaat het?
Bij het maken (synthetiseren) van organische moleculen worden dikwijls zogenaamde katalysatoren gebruikt.
Dit zijn stoffen die de synthese van die organische moleculen vergemakkelijken en die daarbij niet verbruikt worden. Ze kunnen na de reactie gerecupereerd worden.
Er bestaan allerlei soorten katalysatoren.
De laureaten van dit jaar hebben in de zeventiger jaren van de vorige eeuw, palladium-katalysatoren ontwikkeld om op een eenvoudige en milde wijze (d.i. bij lage temperaturen en in gewone oplosmiddelen), koolstofatomen met elkaar te verbinden. Zo kan je kleinere moleculen aan elkaar koppelen tot grotere moleculen.
Palladium is een zeldzaam zilverachtig metaal.
Vooral het feit dat met de palladium-katalysatoren de reacties in milde omstandigheden kunnen verlopen, maakt het voor de scheikundigen mogelijk om ingewikkelde moleculen eenvoudig te synthetiseren.
Dus goedkoper en efficiënter.
Wat wil je nog meer?

Geen opmerkingen:

Een reactie posten