Grafiet is een materiaal dat onder andere bekend is als smeermiddel en als basis voor potloden. Het bestaat uit atomair dunne lagen (grafeen) die zwak met elkaar verbonden zijn en dus heel gemakkelijk over elkaar glijden. Vandaar dat grafiet zo goed als smeermiddel werkt.

Dat grafiet ferromagnetisch blijkt te zijn, is verre van vanzelfsprekend. De onderzoekers MSc Jiri Cervenka en dr.ir. Kees Flipse (Molecular Materials and Nano Systems, TU/e) en prof.dr. Misha Katsnelson (Radboud Universiteit Nijmegen) laten nu zien hoe dit komt. Grafiet blijkt te bestaan uit kleine gebieden van keurig geordende koolstofatomen, die worden omzoomd door veel dunnere strips (circa twee nanometer breed) van roosterfouten die het rooster onderbreken. In deze strips (het rood-gele gebied in de figuur) gedragen de elektronen zich anders dan in het keurige atoomrooster zelf (de blauwe gebieden). Daardoor gaan ze in hun gedrag lijken op ijzer of kobalt, materialen die ferromagnetisch zijn.

De strips in de verschillende lagen grafiet zijn magnetisch met elkaar gekoppeld en vormen zo tweedimensionale netwerken. Hierdoor gaat het gehele stuk grafiet zich als een permanente magneet gedragen. De onderzoekers laten ook zien dat het magnetisme van koolstof niet veroorzaakt wordt door ferromagnetische verontreinigingen, wat door sommigen wordt beweerd. Daarmee lijkt een tien jaar oude discussie hierover beslecht.

Blijkbaar kan een materiaal met uitsluitend koolstofatomen worden gebruikt als een zwakke magneet. Dit opent nieuwe wegen voor spintransport in koolstofhoudende materialen. Spins kun je daarin over grote afstanden transporteren en een spin in koolstof is al met een heel klein magneetveld te schakelen. Beide zijn belangrijke pluspunten voor toepassing in spintronica, die we inmiddels al vinden in harddisks en sensoren in bijvoorbeeld auto’s. Ook wordt koolstof geaccepteerd door het lichaam (denk aan Norit), dus juist ook voor biosensoren is het magnetische gedrag van grafiet veelbelovend. (JH/TJ)