Van der Waals-materialen: atoomdunne lagen die je kunt stapelen als Lego

Bijgewerkt: 5 augustus 2026 · 6 min leestijd

Neem een potlood en zet een streep op papier. Wat er op het papier achterblijft, zijn piepkleine laagjes grafiet die van de punt zijn afgeschraapt. Grafiet bestaat uit talloze lagen koolstofatomen die stevig aan elkaar vastzitten álálbínnen elke laag, maar onderling nauwelijks bij elkaar gehouden worden. Daardoor glijden de lagen makkelijk van elkaar af — en dat is precies waarom een potlood schrijft. Materialen met deze gelaagde bouw noemen we van der Waals-materialen, genoemd naar de zwakke kracht die de lagen bij elkaar houdt.

Stel je zo'n materiaal voor als een stapel losse velletjes papier: elk velletje is op zichzelf sterk en samenhangend, maar je kunt de vellen zonder veel moeite van de stapel aftrekken. Onderzoekers doen dat ook, letterlijk, met grafiet: met plakband trekken ze er steeds dunnere laagjes af totdat er nog maar één laag koolstofatomen overblijft. Dat ene laagje heet grafeen, en het bleek de aftrap van een heel nieuw onderzoeksveld waarin wetenschappers verschillende van zulke atoomdunne materialen combineren tot nieuwe, op maat gemaakte structuren.

Wat is het precies?

De term "van der Waals" verwijst naar de Nederlandse natuurkundige Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), die in 1910 de Nobelprijs kreeg voor zijn beschrijving van hoe gassen en vloeistoffen zich gedragen. Hij beschreef ook een zwakke aantrekkingskracht tussen moleculen die nu zijn naam draagt: de van der Waals-kracht. Deze kracht is veel zwakker dan de "echte" chemische bindingen die atomen binnen een molecuul of laag bij elkaar houden.

In een van der Waals-materiaal zijn de atomen binúnen één laag stevig chemisch gebonden — sterk genoeg om een op zichzelf staand, ultradun vel te vormen. Tussen de lagen onderling werkt alleen de zwakke van der Waals-kracht. Daardoor kun je zulke materialen als een stapel folie uit elkaar pellen, een proces dat exfoliatie heet, totdat je uiteindelijk bij een laag van één atoom dik uitkomt: een zogeheten 2D-materiaal.

Grafeen, een laag koolstofatomen in een honingraatpatroon, is het bekendste voorbeeld en geleidt elektriciteit uitstekend. Maar er bestaan tientallen andere 2D-materialen met heel verschillende eigenschappen. Hexagonaal boornitride (hBN) lijkt qua structuur op grafeen maar is juist een uitstekende isolator, een materiaal dat stroom tegenhoudt. Materialen als molybdeendisulfide (MoS₂) zijn halfgeleiders: ze geleiden stroom soms wel en soms niet, afhankelijk van hoe je ze aanstuurt, en zijn daarmee de bouwstenen van transistors, de schakelaartjes in elke chip.

Het bijzondere gebeurt wanneer je verschillende van deze lagen op elkaar stapelt in een zelfgekozen volgorde. Omdat er geen sterke chemische binding tussen de lagen nodig is, hoeven de kristalroosters van de verschillende materialen niet eens precies bij elkaar te passen. Zo ontstaat een "van der Waals-heterostructuur": een kunstmatig materiaal opgebouwd uit Lego-achtige laagjes, elk met zijn eigen functie, waarvan de gecombineerde eigenschappen niet in de natuur voorkomen.

Een extra truc is het draaien van twee identieke lagen ten opzichte van elkaar. Als je twee vellen grafeen licht gedraaid op elkaar legt, ontstaat een zogeheten moiré-patroon — vergelijkbaar met het golvende patroon dat ontstaat als je twee vitragegordijnen over elkaar heen schuift. Bij één heel specifieke draaihoek, rond de 1,1 graad, verandert het elektrische gedrag van het materiaal drastisch. Dit onderzoeksgebied heet inmiddels "twistronica".

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste belofte is controle: doordat je lagen vrij kunt combineren, kun je in principe een materiaal ontwerpen met precies de eigenschappen die je nodig hebt, in plaats van te zoeken naar een bestaand materiaal dat toevallig voldoet. Dat opent perspectief op dunnere, flexibelere en snellere elektronica dan met de huidige op silicium gebaseerde chips mogelijk is.

Een tweede drijfveer is fundamenteel: getwiste en gestapelde van der Waals-materialen vertonen exotisch natuurkundig gedrag, zoals supergeleiding (stroom geleiden zonder weerstand) en ongebruikelijke magnetische en isolerende toestanden, die normaal alleen bij extreme druk of temperatuur optreden. Voor natuurkundigen zijn dit toegankelijke "speeltuinen" om diepere vragen over materie te onderzoeken.

Daarnaast hoopt men op praktische toepassingen: gevoeligere sensoren, energiezuinigere transistors, flexibele en doorzichtige elektronica, betere lichtdetectoren en mogelijk bouwstenen voor kwantumcomputers. Ook wordt gekeken naar toepassingen buiten de elektronica, zoals katalysatoren voor batterijen en waterstofproductie, waarbij de randen van 2D-kristallen chemisch actief zijn.

Voorbeelden uit de praktijk

Enkele mijlpalen en projecten illustreren hoe het veld zich heeft ontwikkeld:

Isolatie van grafeen (2004, Manchester): Andre Geim en Konstantin Novoselov aan de University of Manchester haalden met gewoon plakband laagjes grafiet steeds dunner uit elkaar, tot ze bij één atoomlaag grafeen uitkwamen. Dit werk leverde hen in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op en gaf de aftrap voor het hele veld van 2D- en van der Waals-materialen.
Van der Waals-heterostructuren als concept (rond 2013): onderzoekers, onder wie Geim en collega's, beschreven hoe verschillende 2D-materialen als bouwstenen gestapeld kunnen worden tot op maat gemaakte structuren — het "Lego-principe" dat sindsdien richtinggevend is voor het veld.
Magic-angle grafeen (2018, MIT): de groep van Pablo Jarillo-Herrero ontdekte dat twee lagen grafeen, gedraaid over een precieze hoek van ongeveer 1,1 graad, plotseling supergeleidend kunnen worden en ander sterk gecorreleerd elektronisch gedrag vertonen. Deze doorbraak, gepubliceerd in Nature, zette "twistronica" definitief op de kaart.
Halfgeleidende 2D-transistors: onderzoeksgroepen wereldwijd, waaronder aan TU Delft en bij imec in België, experimenteren met dunne lagen MoS₂ en verwante materialen als mogelijke opvolger van silicium in extreem kleine transistors, omdat deze materialen bij een paar atomen dikte hun eigenschappen beter behouden dan silicium.
Commerciële grafeenproductie: bedrijven als het Spaanse Graphenea produceren grafeen op industriële schaal voor gebruik in sensoren, composietmaterialen en coatings, los van de meer futuristische elektronicatoepassingen.

Hoe ver is de techniek?

Van der Waals-materialen zijn voor het grootste deel nog fundamenteel onderzoek. Grafeen zelf wordt inmiddels wel commercieel geproduceerd en gebruikt in niches zoals coatings, composieten en sommige sensoren, maar de ooit voorspelde "grafeenrevolutie" in consumentenelektronica — buigbare telefoons, supersnelle chips — is er tot nu toe niet in het tempo gekomen dat rond 2010 werd verwacht.

Getwiste en gestapelde heterostructuren, zoals magic-angle grafeen, zijn vooralsnog vooral laboratoriumcuriosa. Ze worden gemaakt op de schaal van enkele micrometers, met precisiewerk dat lastig is op te schalen naar productie. Sinds 2018 is dit deelveld wel snel gegroeid: onderzoekers vinden steeds meer combinaties van materialen en draaihoeken die tot supergeleiding of magnetisme leiden.

De belangrijkste obstakels zijn opschaling en reproduceerbaarheid. Het maken van grote, defectvrije 2D-kristallen van consistente kwaliteit is lastiger dan het maken van de siliciumwafers die de huidige chipindustrie gebruikt. Ook het nauwkeurig uitlijnen en stapelen van lagen — inclusief het instellen van draaihoeken tot op een fractie van een graad nauwkeurig — is arbeidsintensief en nog niet geschikt voor massaproductie. Integratie met bestaande chipfabricageprocessen is een ander open vraagstuk.

Wie werken eraan?

Het Verenigd Koninkrijk speelde een voortrekkersrol via de University of Manchester, waar in 2015 het National Graphene Institute werd geopend als centrum voor grafeen- en 2D-materiaalonderzoek. In de Verenigde Staten is MIT, met de groep van Pablo Jarillo-Herrero, toonaangevend op het gebied van getwiste heterostructuren, naast onderzoek aan onder meer Columbia University en Harvard.

In Nederland doet TU Delft, via het Kavli Institute of Nanoscience, al jarenlang onderzoek naar van der Waals-materialen en -heterostructuren, onder meer in de groep van Herre van der Zant. Ook AMOLF in Amsterdam en de Radboud Universiteit in Nijmegen doen onderzoek op dit gebied.

Op Europees niveau financierde de Europese Unie tussen 2013 en 2023 het Graphene Flagship, een grootschalig, langlopend onderzoeksprogramma met een budget van ongeveer een miljard euro, waarin tientallen universiteiten en bedrijven uit heel Europa samenwerkten. In Azië investeert China fors in grafeen- en 2D-materiaalonderzoek en -productie, en ook Zuid-Koreaanse bedrijven als Samsung doen onderzoek naar 2D-materialen voor toekomstige chips en schermen. Daarnaast houden gespecialiseerde bedrijven zoals Graphenea (Spanje) en onderzoeksinstellingen als imec (België) zich bezig met respectievelijk productie en chipintegratie van deze materialen.