Diamanten zijn meer dan alleen maar bling-bling

Laat me je iets vertellen over diamanten. Je kent ze vast wel: die glinsterende steentjes die een vermogen kosten en eigenlijk gewoon koolstof zijn. Maar wat als ik je zeg dat we deze edelstenen compleet verkeerd hebben begrepen? Onderzoekers hebben ontdekt dat diamanten elektriciteit kunnen opwekken. Ja, echt waar. Pak even een kopje koffie, want dit wordt gek.

Wat is piëzo-elektriciteit eigenlijk?

Even snel uitleggen wat piëzo-elektriciteit is, want dat hebben we straks nodig. Het is eigenlijk simpel: bepaalde materialen kunnen elektrische lading produceren wanneer je ze samenperst, buigt of vervormt. Die aansteker waar je op klikt en dan heb je vuur? Daar zit piëzo-elektriciteit in. De mechanische druk wordt omgezet in een vonk.

Jarenlang dachten wetenschappers dat diamanten dit niet konden. En eerlijk? Dat was best logisch. Diamanten zijn berucht stug. Ze buigen niet, ze rekken niet uit, en vervormen? Vergeet het maar. Je kunt een diamant niet zomaar in elkaar drukken en verwachten dat er stroom uit komt. Toch?

Nou, het blijkt dat we maar half gelijk hadden.

De plotwending: dun is hot

Onderzoekers van de Universiteit van Hong Kong wilden weten wat er gebeurt als je een diamantmembraan neemt — zo'n dun vliesje van maar een paar micrometer dik. Zou dat anders reageren dan een flinke diamant?

Die dunne membranen kweken is nog best een klus. De wetenschappers gebruikten een techniek genaamd chemische dampdepositie met microgolfplasma, zeg maar een superslimme 3D-printer voor diamanten. Laagje voor laagje bouwen ze het op, atoom voor atoom. Uiteindelijk hadden ze een diamantvliesje van ongeveer vijf centimeter breed en één micrometer dik.

Dat is ongelooflijk dun. Duizenden keren dunner dan een mensenhaar. Dit ding zou je waarschijnlijk kunnen plooien met alleen je verbeelding.

Hier komt het leuke deel

De onderzoekers plakten het diamantmembraan op een flexibele ondergrond en begonnen het te buigen. En toen gebeurde het: de diamant produceerde elektrische stroom. Niet door wrijving, niet door de omgeving — de diamant zelf maakte de lading.

Maar hoe dan? Het antwoord zit in wat ze korrelgrenzen noemen. Bij het vormen van diamanten ontstaan kristalstructuren met kleine onvolkomenheden en grenzen tussen verschillende kristalkorrels. In een flinke diamant zijn die grenzen overal verspreid en heffen ze elkaar op. Maar in een dun membraan stapelen die asymmetrische grenzen zich op en creëren ze elektrische lading tussen de boven- en onderkant. Daardoor ontstaat stroom als je buigt.

Het sterkste effect zagen ze bij membranen van ongeveer 5 micrometer. Te dun? Dan verzwakt het effect. Te dik? Dan wordt de diamant te stijf om goed te buigen. Het is een kwestie van de gulden middenweg — voor elektriciteit.

Waarom zou je hier iets om geven?

Hier wordt het echt interessant. Diamant is niet alleen mooi — het is ook fantastisch materiaal. Het is hard, hittebestendig, chemisch stabiel en niet giftig. Precies de eigenschappen die je nodig hebt voor medische implantaten die veilig in het menselijk lichaam kunnen zitten.

Stel je voor: een klein implantaat dat zichzelf van stroom voorziet door de natuurlijke bewegingen van je lichaam. Geen batterijen om te vervangen, geen opladen nodig. Een diamantmembraantje dat stroom opwekt uit je hartslag of ademhaling, waardoor pacemakers en andere apparaten voor eeuwig kunnen blijven draaien.

Ook de energiesector kan hiervan profiteren. Piëzo-elektrische apparaten op basis van diamant zouden kunnen worden gebruikt in sensoren, energieoogstsystemen en andere toepassingen waar duurzaamheid en stabiliteit belangrijk zijn.

Meer dan alleen een mooi gezicht

Ik vind dit soort verhalen heerlijk. Materialen die ineens geheime superkrachten blijken te hebben. We denken dat we alles weten over diamanten — hard, glinsterend, duur. Maar blijkbaar hebben we alleen nog maar aan de oppervlakte gekrabd.

Dit herinnert me eraan dat wetenschap vol verrassingen zit. We trekken conclusies op basis van wat we op menselijke schaal zien, maar zoom in of uit, en de regels veranderen. Grote diamanten buigen niet? Klopt. Maar atoomdunne diamantmembranen? Die dansen op hun eigen ritme.

Dus de volgende keer dat iemand je vertelt dat een diamant gewoon een steen is, glimlach dan en denk aan alle elektriciteit die er misschien in verstopt zit. Die glans was nooit het hele verhaal.

Bron: Popular Mechanics