De in Rusland geboren fysicus André Geim won als enige wetenschapper ooit zowel een Nobelprijs als een Ig Nobelprijs, de prijs voor lachwekkend wetenschappelijk onderzoek. Een gesprek met de man die het materiaal grafeen uitvond én kikkers deed vliegen.
In 2003 isoleerde André Geim samen met zijn collega Konstantin Novoselov voor het eerst grafeen, het materiaal waarmee de twee in 2010 de Nobelprijs voor de fysica zouden winnen – dat is supersnel naar Nobelnormen. Grafeen komt als zodanig niet in de natuur voor, je moet het op kunstmatige wijze isoleren. De gedeeltelijk door Geim en Novoselov zelf in stand gehouden legende wil dat ze daarin slaagden met behulp van enkel een blok grafiet en een stuk plakband, maar de werkelijkheid is iets prozaïscher. Er kwam wel degelijk plakband bij te pas, maar ook aceton, propaan en ultrageluid om grafiet tot grafeen te reduceren. Dat materiaal is tegelijk transparant, extreem dun, supergeleidend, superlicht en toch sterker dan staal, harder dan diamant en toch buigzaam. Een materiaal dat records blijft breken.
Geim was in ons land op uitnodiging van de Universiteit Hasselt, die deelneemt aan een aantal Europese grafeenonderzoeksprojecten, onder andere rond zonnecellen van de nieuwste generatie. ‘Grafeen is goed op weg om een nieuw record te breken’, zegt hij. ‘Een nieuw materiaal doet er vaak tot veertig jaar over om de stap te zetten van het lab naar de huiskamer, denk maar aan aluminium, silicium en teflon. Grafeen slaagt daarin in amper tien jaar tijd. Het is niet algemeen bekend, maar je vindt nu al grafeen terug in sommige consumentenproducten: in touchscreens van goedkope smartphones, geproduceerd door Bluestone. Het gaat om eerste tests waarbij de consument niet eens weet dat hij een scherm van grafeen gebruikt. Dat is een standaardprocedure om nieuw materiaal op grote schaal op betrouwbaarheid te testen. Naar ik heb vernomen, zijn er ook al beter presterende batterijen met grafeen op de markt. Grafeen breekt momenteel door omdat het goedkoper is, niet omdat het beter is. Zo werkt de moderne economie nu eenmaal.’
Wat maakt grafeen uniek? Het is een tweedimensionaal materiaal dat bestaat uit één enkele laag koolstofatomen die een kippengaasstructuur vormen. De opgang van grafeen lijkt niet te stuiten. In 2010 werd het proces om grafeen te isoleren succesvol opgeschaald tot massaproductie. De Europese Unie maakte begin dit jaar nog 1 miljard euro vrij voor verder onderzoek naar de mogelijkheden van grafeen.
Magnetisch water
André Geim studeerde aan het prestigieuze Instituut voor Fysica en Technologie in Moskou en kreeg er de smaak van het fundamenteel onderzoek te pakken. Hij doctoreerde en deed er aan onderzoek met de beperkte middelen die hem ter beschikking staan. Hij ziet zijn toekomstmogelijkheden afnemen. ‘Het was 1990. Mijn carrière als researcher lag aan diggelen door de instorting van de Sovjet-Unie. Maar eens de psychologische grens wegviel om tussen landen en onderzoeksgebieden heen en weer te springen, was ik vertrokken. Het is enorm verrijkend om in een nieuwe omgeving terecht te komen en te zien hoe het onderzoek er in andere landen toegaat. De menselijke natuur moedigt ons aan om in ons geboorteland te blijven en ons aan onze moedertaal vast te klampen. Je in een ander vakgebied begeven is zo mogelijk nog moeilijker, omdat je het specifieke jargon niet beheerst. Het artikel dat Konstantin en ik schreven voor het vakblad Nature, en dat de basis legde voor de Nobelprijs, werd eerst twee keer geweigerd omdat we nieuw waren in de wereld van de koolstofonderzoekers en niet de juiste referentiekaders gebruikten.’
Begin jaren negentig zette Geim zijn onorthodoxe, vakgebiedoverschrijdende research voort aan de universiteiten van Nottingham en Bath. Van 1994 tot 2000 was hij verbonden aan de Universiteit van Nijmegen – hij spreekt meer dan een mondje Nederlands. In Nijmegen voerde hij het experiment uit dat hem de Ig Nobelprijs opleverde, de prijs voor ‘verwezenlijkingen die mensen eerst doen lachen en dan doen nadenken’, aldus het comité. Geims misdaad? Een kikker laten leviteren in een supermagneet. Het experiment maakte deel uit van wat Geim zijn ‘vrijdagavondexperimenten’ noemt, freewheelend onderzoek waarbij alles kan en niets moet, waarbij bestaande theorieën aan de praktijk worden getoetst, waarin het onmogelijke keer op keer opnieuw wordt geprobeerd, met soms verrassende resultaten. ‘We koesteren bepaalde opvattingen over wat magnetisch is en wat niet’, legt hij uit. ‘Als ik je vraag of papier, water of hout magnetisch is, antwoord je waarschijnlijk nee. Maar omdat alles is opgebouwd uit atomen en moleculen, is er in alles atomair en moleculair magnetisme. Daar vertel ik niets nieuws mee: meer dan anderhalve eeuw geleden bedacht Michael Faraday al de term diamagnetisme, maar het werd als een verwaarloosbaar fenomeen beschouwd. Ook wij dachten dat het iets kleins en onzichtbaars was. Maar hoewel er al zestig jaar lang overal ter wereld krachtige elektromagneten in labs te vinden zijn, was nog niemand op het idee gekomen om er water in te gieten.’ Het water leek aan de zwaartekracht te ontsnappen door het magnetische veld, en hetzelfde gebeurde later met een aardbei, een stuk pizza en ten slotte met de kikker, die een icoon werd van het diamagnetisme.
De materialenrevolutie
Bijna twintig jaar later is André Geim niet langer de professor van de vliegende kikker, maar Meneer Grafeen. Of liever, de grondlegger van een hele reeks nieuwe, ultradunne materialen. ‘Grafeen heeft ons op het pad gezet om andere materialen van één atoom dik te isoleren. We spreken hier over een nieuw paradigma van materialen, die niets te maken hebben met materialen zoals we ze kenden. Maar we zullen pas een echte tsunami aan mogelijkheden creëren als we al die materialen met elkaar gaan combineren. Grafeen is geweldig, maar het geleidt bijvoorbeeld té goed om een geschikte vervanger voor silicium te worden. Een combinatie van beide materialen opent ongekende perspectieven. Het kost ons nog een paar decennia aan fundamenteel onderzoek voor we weten waartoe al die mogelijke combinaties kunnen leiden. Welke concrete toepassingen eruit zullen voortkomen, kan ik helemaal nog niet beschrijven. Maar ik durf wel te zeggen dat we op het vlak van materialen een revolutie meemaken van hetzelfde kaliber als de eerste industriële revolutie.’
Ook van plastic kan je zeggen dat het de wereld veranderd heeft, ten goede en ten kwade. Hoe zullen mensen over honderd jaar op grafeen terugkijken? André Geim blaast. ‘Denk je echt dat de mensen die plastic hebben uitgevonden misdadigers waren? Wetenschappers trachten dingen uit te vinden. Het is heel unfair om hen verantwoordelijk te houden voor de maatschappelijke gevolgen ervan. We moeten onszelf de schuld geven voor wat we met onze planeet hebben aangericht. Dat gezegd zijnde, denk ik niet dat er met grafeen grote problemen zullen ontstaan. Het materiaal zit al sinds 500 jaar in potloden en die zijn alleen gevaarlijk als ze een heel scherpe punt hebben en je erop gaat zitten.
DOOR JAN BOSTEELS
‘Ons artikel voor Nature, dat de basis legde voor de Nobelprijs, werd eerst twee keer geweigerd.’
