Een nieuwe koolstofmateriaal is zowel sterk als elastisch. Amerikaanse en Chinese onderzoekers noemen het door hen ontwikkelde materiaal gecomprimeerd glasachtig koolstof, dat alleen onder extreem hoge druk kan ontstaan.
Het nieuwe koolstofmateriaal combineert koolstofverbindingen zoals die bekend zijn van grafeen en diamant, wat leidt tot bijzondere eigenschappen.
- Het materiaal is extreem hard en bij een puntbelasting deukt het nauwelijks in. Het materiaal presteert duidelijk beter dan staal en de eigenschappen liggen in de orde van die van kobalt chroom, een materiaal dat wordt gebruikt voor bijvoorbeeld het maken van de schoepen in een turbine en gebitsimplantaten.
- Weer eenmaal zonder die druk heeft het materiaal ook een behoorlijk goed herstelvermogen, oftewel elasticiteit. Die is beter dan die van rubber en nikkel-titanium. Dat laatste materiaal is bekend van zijn vormgeheugen.
- Het materiaal vervormt nauwelijks onder uniforme druk, en presteert duidelijk beter dan op sterkte samengestelde metaallegeringen of keramiek.
- Het materiaal heeft een elektrische weerstand die minder is dan die van grafiet en het is bestand tegen hoge temperaturen.
Het maken van het materiaal vereist extreme omstandigheden: een temperatuur van 1000 °C en vooral een hoge druk, minstens 250.000 bar, wat het produceren ervan duur maakt. Maar vanwege zijn grote sterkte en relatief lage soortgelijk gewicht is het bij uitstek geschikt voor toepassingen waarbij gewichtsbesparing veel belangrijker is dan de materiaalkosten. Denk bijvoorbeeld aan toepassingen in de lucht- en ruimtevaart of voor materieel dat draagbaar met zijn.
Verbonden laagjes
De microstructuur van het materiaal bestaat uit een combinatie van verbindingen zoals die bekend zijn van grafeen en diamant. Het is de bijzondere eigenschap van koolstof dat zijn elektronen allerhande mogelijke verbindingen kunnen aangaan die leiden tot totaal verschillende eigenschappen, van keihard, doorzichtig diamant tot ondoorzichtig grafiet. Bij grafeenachtige verbindingen (sp2 in de video hieronder) is elk koolstofatoom in een plat vlak verbonden met drie andere koolstofatomen, in diamant vormen die drie verbindingen (sp3 in de video hieronder) tezamen een driedimensionale tetraëder, een driezijdige piramide. In het nieuwe koolstofmateriaal zijn grafeenachtige lagen op verschillende manieren met elkaar verbonden door diamantachtige verbindingen, zoals is te zien in de afbeelding hieronder, dat fragmenten van het materiaal laat zien op nanoschaal.
De onderzoekers/ingenieurs van afdelingen materiaalkunde van een zestal universiteiten in China en de VS, waaronder die van de Carnegie Institution of Washington, hebben het materiaal 'gecomprimeerd glasachtig koolstof' genoemd, wat verwijst naar de manier waarop ze het nieuwe koolstofmateriaal produceerden. Ze gebruikten daarvoor bestaand glasachtig koolstof en brachten dat bij hoge temperatuur onder de extreme druk. Daardoor ontstonden tussen de grafeen-achtige lagen de diamant-achtige verbindingen.
Dat glasachtig koolstof, zo genoemd vanwege zijn glans, is al sinds de jaren ’50 van de vorige eeuw bekend, maar heeft veel minder mooie eigenschappen. Bij hoge druk of temperatuur deformeert het materiaal. Waar grafiet bestaat uit nette laagjes, vormen de koolstofbindingen in glasachtig koolstof een complexe kluwen van onderling verweven linten.Het nieuwe materiaal is op nanoschaal heel geordend, zoals is te zien op de afbeeldingen, maar heeft, net als glasachtig koolstof, op macroschaal geen duidelijke ordening. Het verschilt daarmee wezenlijk van grafeen of diamant die ook op grotere schaal hun geordende structuur behouden.
Openingsbeeld: het nieuwe koolstofmateriaal op nanoschaal, met zwart de tweedimensonale grafeenachtige koolstofverbinding en rood de diamantachtige koolstofverbinding. Beeld Yanshan University.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.
