Maatschappij

Nieuwe vorm van koolstof is keihard én elastisch

Het is supersterk en licht, enorm elastisch en het geleidt elektriciteit. Gecomprimeerd glasachtig koolstof heeft het allemaal. Het materiaal, dat volledig bestaat uit koolstof, wordt gemaakt door de al langer bekende, zwarte stof glasachtig koolstof bloot te stellen aan extreem hoge druk en temperatuur. Het keiharde en veerkrachtige materiaal dat dan ontstaat, is geschikt voor toepassingen in het leger, in de ruimte- en luchtvaart en voor autobumpers.

Glasachtig koolstof dankt zijn naam aan zijn glasachtige uiterlijk. Het is sterk, licht en goed bestand tegen hoge temperaturen en bijtende chemische stoffen. Door het samen te persen met een druk die 250.000 keer zo hoog is als de atmosferische druk ontdekten onderzoekers van zes verschillende universiteiten, waaronder Yanshan University in China en Carnegie Institution in Amerika, de nieuwe koolstofvorm. „We lieten de temperatuur stapsgewijs oplopen van 400 tot 1.200 graden Celsius”, vertelt Timothy Strobel van Carnegie Institution. „De beste materiaaleigenschappen verkregen we bij 1.000 graden Celsius. Bij nog hogere temperatuur veranderde het materiaal in diamant.” Hun resultaten publiceerden ze in Science Advances.

Na waterstof, helium en zuurstof is koolstof het meest voorkomende element in het heelal. En er zijn weinig elementen zo veelzijdig als koolstof. Je kunt de atomen zo rangschikken dat ze het zachte, brosse grafiet uit potloden vormen, maar je kunt er ook keiharde, doorzichtige diamanten van maken. Dat hangt van de omstandigheden af, zoals temperatuur en druk. Een andere bekende vorm van koolstof is het zeer dunne grafeen, waarbij de koolstofatomen een kippengaas-achtig rooster vormen. Dit bijzondere materiaal is flexibel, sterker dan staal en geleidt elektriciteit. De ontdekkers ervan kregen in 2010 de Nobelprijs.

Het nieuwe, gecomprimeerde glasachtige koolstof, deelt veel van die eigenschappen met grafeen. Het bestaat uit grafeenachtige lagen, verbonden door diamantachtige koolstofverbindingen. Die combinatie zorgt voor uitzonderlijke eigenschappen: het is twee keer zo hard als de meeste keramische materialen, elastischer dan rubber en vijf keer zo sterk als de meeste metalen. Daarnaast geleidt het elektriciteit en weegt het minder dan aluminium.

Door de enorme druk en temperatuur die nodig zijn om gecomprimeerd glasachtig koolstof te maken, zijn de productiekosten nu nog hoog. De onderzoekers schrijven in hun artikel dat het lichte, sterke en elastische materiaal vooral geschikt is voor toepassingen waarbij gewichtsbesparing belangrijker is dan materiaalkosten. „Het materiaal kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor de volgende generatie vliegtuigen”, stelt Timothy Strobel voor. „En als de productiekosten omlaag gaan, kunnen er misschien ook veiligere autobumpers en American football-helmen van gemaakt worden.”