Diamant spreekt enorm tot de verbeelding als materiaal voor sieraden. Minder bekend is dat het ook voor ingenieurs een absoluut topmateriaal is met vele, verrassende toepassingen. Onderzoeker Ivan Buijnsters van de TU Delft houdt zich bijvoorbeeld bezig met diamanten die water kunnen zuiveren.
Tequila
‘Ken je het tequila-verhaal?’, vraagt Ivan Buijnsters, wetenschapper van de Delftse faculteit ME. ‘Een jaar of tien geleden is een groep Mexicaanse wetenschappers bezig geweest met het omzetten van tequila in diamant. Ze werkten met de hete damp van tequila blanco (40 procent alcohol). Deze damp bleek zich te kunnen afzetten op een onderliggende laag van silicium of roestvast staal. En daarbij werd een dun laagje diamant gevormd. Misschien was dat niet een heel nuttig onderzoeksthema, maar ze hebben er toen wel veel publiciteit mee gehaald.’
Diamanten revolutie
Buijnsters noemt het voorbeeld om aan te tonen hoe groot de fascinatie, overal ter wereld, is voor het materiaal diamant. Dat is altijd zo geweest, zeker ook in Nederland, met onder meer de historische aanwezigheid van de diamant-industrie. ‘Zo’n dertig jaar geleden, in de jaren negentig spraken we zelfs even over een nieuwe diamond age’, vervolgt Buijnsters zijn verhaal. ‘Door technologische vorderingen in de productiemethodes van koolstof-laagjes (want diamant is niets anders dan koolstofatomen die zijn gerangschikt in een bepaald patroon) waren de verwachtingen over diamant als engineering materiaal enorm hoog gespannen. Het werd makkelijker om dunne laagjes diamant aan te brengen, bijvoorbeeld op silicium. Dat werd eerlijk gezegd een beetje een hype, waar iedereen zijn graantje van probeerde mee te pikken, ook qua financiering van wetenschappelijk onderzoek.’
Inmiddels zijn we bijna dertig jaar verder en is het realisme over de mogelijkheden van diamant voor een groot deel teruggekeerd. ‘Niet alles bleek mogelijk met diamant, maar aan de andere kant zijn er heel andere toepassingen dan toen werden verwacht naar boven gekomen. Waterzuivering met diamanten elektrodes is daar een mooi voorbeeld van. Hoe dan ook, het veelvuldige onderzoek aan diamant heeft gunstige effecten gehad. Denk bijvoorbeeld aan een heel ander toepassingsgebied, de quantummechanica, waar de Delftse collega’s van QuTech zich mee bezig houden. Daar gebruiken ze onder meer diamantmateriaal om qubits (de essentiële bouwstenen van een toekomstige quantumcomputer) in op te sluiten. Dat was misschien niet mogelijk geweest zonder de wereldwijde inspanningen die op gang kwamen door de (aangekondigde) diamanten revolutie.'
Topmateriaal
‘Los daarvan, diamant blijft natuurlijk een absoluut topmateriaal. Het wordt wel gezien als het ultieme engineering materiaal want het combineert superieure eigenschappen, zoals extreme hardheid, chemische robuustheid en goede thermische geleidbaarheid. Diamant geleidt in pure vorm geen elektriciteit maar als je diamant ‘strategisch’ met atomen van het element borium verontreinigt, wordt het een zeer goede geleider. Dit heet B-doped diamond (BDD).’
‘Het diamant waar ik me mee bezig houd, is natuurlijk wat anders dan de diamanten zoals je dat ziet in sieraden. Het zijn hele dunne laagjes koolstof die meestal worden gevormd uit waterstof en aardgas via een proces genaamd CVD: Chemical Vapor Deposition. Deze techniek is inmiddels zo ver ontwikkeld dat er bijvoorbeeld diamanten elektrodes mee te maken zijn in allerlei vormen en afmetingen. Daarmee ligt de weg open naar diverse toepassingen die met ‘gewoon’ diamant niet mogelijk zijn.’
Water
Buijnsters is al lange tijd bezig met het supermateriaal. Na actief te zijn geweest als student en wetenschapper in Nijmegen, Spanje en België, is hij sinds 2014 werkzaam aan de TU Delft.
Bij de afdeling PME (Precision and Microsystems Engineering) heeft Buijnsters de laatste jaren een nieuwe onderzoekslijn opgezet op het gebied van diamond engineering en de ontwikkeling van diamanten elektrodes voor katalyse en elektrochemie.
Eén van de veelbelovende toepassingen van diamanten elektrodes die Buijnsters onderzoekt, is voor velen misschien toch wat verrassend: de zuivering van water. ‘Het goed zuiveren van water wordt steeds moeilijker’, legt Buijnsters uit. ‘Dit heeft onder meer te maken met de sterke aanwezigheid van medicijnresten in het drinkwater maar bijvoorbeeld ook met PFAS. Diamanten elektrodes hebben, door de elektrochemische eigenschappen van BDD, enorm veel potentieel (letterlijk) om heel gericht verontreinigingen uit water te verwijderen en ook om deze te monitoren.’ Onderzoek heeft laten zien dat de inzet van B-doped diamond leidt tot de directe en efficiënte vorming van zogenoemde hydroxyl- en oxyl-radicalen uit elektro-oxidatie reacties. Deze kunnen er voor zorgen dat hardnekkige organische vervuilingen uit het water worden gezuiverd en dat het water effectief wordt gedesinfecteerd.
‘Dit heeft als enorm voordeel dat je geen chemicaliën, zoals chloor, meer hoeft in te zetten. Andere grote voordelen zijn de mechanische robuustheid en chemische inertie in een natte omgeving (het materiaal wordt dus niet snel aangetast). Het systeem kan keer op keer gebruikt worden zonder verlies van effectiviteit.’
Maar zijn er ook nadelen, bijvoorbeeld de kosten? ‘Mensen denken vaak dat werken met diamant automatisch duur is, maar dat hoeft helemaal niet zo te zijn. De kosten hangen vooral af van de schaal en de aard van de toepassing. Eigenlijk zijn er geen belangrijke nadelen te noemen. En dat blijkt ook wel, want waterzuivering met diamantelektrodes vindt al volop plaats. Dit gebeurt bijvoorbeeld in grootschalige systemen zoals de behandeling van industrieel afvalwater. Wij richten ons hier vooral op diamantelektrodes voor kleinschaligere toepassingen.’
Diamonds really are an engineer’s best friend
Ivan Buijnsters
Diamantelektroden uit biogas?
Een bijzondere variant van waterzuivering met diamant kwam spontaan naar boven aan de TU Delft, toen Buijnsters in contact kwam met collega-onderzoeker Ralph Lindeboom van de faculteit CiTG. ‘Wij willen onderzoeken of diamantelektroden uit biogas gemaakt kunnen worden, en hoe geschikt deze elektroden zijn voor drinkwaterproductie.’
Lindeboom richt zich op het winnen van bruikbare stoffen (zoals drinkwater) uit afvalstromen op extreme plekken, zoals in de ruimte. Zijn onderzoek naar een high pressure bioreactor laat zien dat je uit afval biogas van hoge kwaliteit kunt maken. Met drinkwaterexperts werd vervolgens bekeken hoe de belangrijkste grondstof in afvalwater, drinkbaar water, het best kan worden gezuiverd. Het gebruik van BDD kwam daarbij als beste uit de bus. En uit biogas kun je in principe diamantlaagjes maken….
‘Ralph en ik kwamen elkaar tegen, bij een zogenoemde BioDate (georganiseerd door het BioEngineering Institute van de TU Delft) en zo is het idee min of meer spontaan ontstaan. Uit afvalstromen maak je, via biogas, diamanten laagjes, die je vervolgens kunt gebruiken om het afvalwater te zuiveren. Een heel bijzonder idee dat nu verder wordt uitgezocht.’
Biosensoren
‘Waterzuivering is inmiddels een substantieel deel van ons onderzoek geworden, maar het is zeker niet het enige onderwerp’, zegt Buijnsters. Een ander belangrijk thema is bijvoorbeeld de ontwikkeling van elektrochemische biosensoren uit diamant. Dit zijn belangrijke meetinstrumenten voor de detectie van biomoleculen, bijvoorbeeld voor het opsporen van hormonale afwijkingen in het bloed. Het materiaal waarvan de elektroden gemaakt zijn, is cruciaal voor de kwaliteit en het gebruik van de biosensor, omdat het onder meer de meetgevoeligheid en productiekosten bepaalt. Buijnsters denkt dat BDD zeer geschikt is om ook in biosensoren toe te passen.
Het is een van de vele mogelijkheden die het materiaal diamant biedt. Zoals Buijnsters al vaker heeft gesteld: ‘Diamonds really are an engineer’s best friend.’
