Hvad er grafen? Her er hvad du skal vide om et materiale, der kan blive det næste silicium

• Tweet
• Del
• Post

Graphene, et nyt materiale, der kan ændre den måde, som elektroniske komponenter fremstilles på, og som kan hjælpe med at øge computerydelsen, er overalt i forskningsverdenen i disse dage.

Alene i denne måned tyder fremskridt på, at det kan øge internethastighederne, fungere som berøringsfølsom belægning og forlænge levetiden for computere. Det er stærkere end diamant og leder elektricitet og varme bedre end noget andet materiale, der nogensinde er blevet opdaget, og det vil sandsynligvis spille en vigtig rolle i mange produkter og processer i fremtiden.

Hvad er grafen?

Grafen består af et enkelt lag kulstofatomer, der er bundet sammen i et gentaget mønster af sekskanter. Grafen er en million gange tyndere end papir; så tyndt, at det faktisk betragtes som todimensionelt.

Kulstof er et utroligt alsidigt grundstof. Afhængigt af, hvordan atomerne er arrangeret, kan det give hårde diamanter eller blød grafit. Graphenes flade honeycomb-mønster giver det mange usædvanlige egenskaber, herunder status som det stærkeste materiale i verden. James Hone, professor i maskinteknik ved Columbia University, sagde engang, at det er “så stærkt, at det ville kræve en elefant, der balancerer på en blyant, for at bryde igennem et ark grafen, der er lige så tykt som Saran Wrap”, ifølge universitetet.

Disse enkelte lag af kulstofatomer danner grundlaget for andre vigtige materialer. Grafit – eller blyantblyant – dannes, når man stabler grafen. Kulstofnanorør, som er et andet nyt materiale, der er på vej frem, er lavet af rullet grafen. De bruges i cykler, tennisrackets og endda i levende vævsteknik.

Hvordan blev det opdaget?

Chancerne er gode for, at du har lavet grafen mange gange i dit liv. Tegn en streg med en blyant, og små stykker af grafen vil flage af. Men ingen havde både værktøjerne og interessen for at isolere fritstående grafen på pålidelig vis før begyndelsen af 2000’erne.

Graphen blev først undersøgt teoretisk i 1940’erne. På det tidspunkt troede forskerne, at det var fysisk umuligt for et todimensionelt materiale at eksistere, så de gik ikke videre med at isolere grafen. Årtier senere blev interessen vakt, og forskerne begyndte at drømme om teknikker til at skille grafen fra hinanden. De forsøgte at klemme molekyler ind mellem lag af grafen og skrabe og gnide grafit, men de nåede aldrig frem til et enkelt lag. Til sidst lykkedes det dem at isolere grafen oven på andre materialer, men ikke alene.

I 2002 blev forskeren Andre Geim fra University of Manchester interesseret i grafen og udfordrede en ph.d.-studerende til at polere en klump grafit til så få lag som muligt. Den studerende var i stand til at nå op på 1.000 lag, men kunne ikke nå Geims mål om 10-100 lag. Geim forsøgte sig med en anden metode: tape. Han påførte det på grafit og trak det af for at skabe flager af lagdelt grafen. Flere tapeskræl skabte tyndere og tyndere lag, indtil han havde et stykke grafen med 10 lag tykkelse.

Geims hold arbejdede på at forfine deres teknik og fremstillede til sidst et enkelt lag kulstofatomer. De offentliggjorde deres resultater i “Science” i oktober 2004. Geim og hans kollega Kostya Novoselov modtog Nobelprisen i fysik i 2010 for deres arbejde.

Siden disse første flager fremstillet med tape er grafenproduktionen blevet forbedret i et hastigt tempo. I 2009 var forskerne i stand til at skabe en film af grafen, der målte 30 tommer på tværs.

Hvorfor er det usædvanligt?

Geim og Novoselovs artikel var vildt interessant for andre forskere på grund af dens beskrivelse af graphenes mærkelige fysiske egenskaber. Elektroner bevæger sig utroligt hurtigt gennem grafen og begynder at udvise en adfærd, som om de var masseløse, hvilket efterligner den fysik, der styrer partikler på meget små skalaer.

“Denne form for interaktion inde i et fast stof er, så vidt man ved, unik for grafen,” skrev Geim og en anden berømt grafenforsker, Philip Kim, i en artikel i Scientific American fra 2008. “Takket være dette nye materiale fra en blyant er relativistisk kvantemekanik ikke længere begrænset til kosmologien eller højenergifysikken; den er nu kommet ind i laboratoriet.”

Graphenes særlige egenskaber stopper ikke med underlig fysik. Det er også:

• Konduktivt: Elektroner er de partikler, der udgør elektricitet. Så når grafen giver elektroner mulighed for at bevæge sig hurtigt, giver det elektricitet mulighed for at bevæge sig hurtigt. Det er kendt, at det kan flytte elektroner 200 gange hurtigere end silicium, fordi de bevæger sig med så lille en afbrydelse. Det er også en fremragende varmeleder. Grafen er ledende uafhængigt af temperatur og fungerer normalt ved stuetemperatur.
• Stærk: Som tidligere nævnt ville det kræve en elefant med fremragende balance at bryde igennem en plade af grafen. Det er meget stærkt på grund af dets ubrudte mønster og de stærke bindinger mellem kulstofatomerne. Selv når pletter af grafen er syet sammen, er det stadig det stærkeste materiale derude.
• Fleksibelt: Disse stærke bindinger mellem graphenes kulstofatomer er også meget fleksible. De kan vrides, trækkes og bøjes til en vis grad uden at gå i stykker, hvilket betyder, at grafen er bøjeligt og strækbart.
• Transparent: Graphen er gennemsigtigt: Grafen absorberer 2,3 procent af det synlige lys, der rammer det, hvilket betyder, at man kan se igennem det uden at skulle forholde sig til blænding.

Hvad kan det bruges til?

Anvendelsen af grafen i hverdagen er ikke langt væk, bl.a. på grund af den eksisterende forskning i kulstofnanorør – den rullede, cylindriske udgave af grafen. Rørene blev gjort populære i en artikel fra 1991 (abonnement påkrævet) og blev fremhævet for deres utrolige fysiske egenskaber, hvoraf de fleste minder meget om grafen. Men det er lettere at fremstille store plader af grafen, og det kan fremstilles på samme måde som silicium. Mange af de nuværende og planlagte anvendelser for kulstofnanorør er nu ved at blive tilpasset til grafen.

Nogle af de største nye anvendelser er:

• Solceller: Solceller er afhængige af halvledere til at absorbere sollys. Halvledere er fremstillet af et grundstof som f.eks. silicium og har to lag af elektroner. I det ene lag er elektronerne rolige og bliver ved halvlederens side. I det andet lag kan elektronerne bevæge sig frit rundt og danne en strøm af elektricitet. Solceller fungerer ved at overføre energien fra lyspartikler til de rolige elektroner, som bliver ophidsede og hopper over i det frit flydende lag, hvorved der skabes mere elektricitet. Graphenes elektronlag overlapper faktisk hinanden, hvilket betyder, at der skal mindre lysenergi til for at få elektronerne til at hoppe mellem lagene. I fremtiden kan denne egenskab give anledning til meget effektive solceller. Ved at bruge grafen vil det også være muligt at anvende celler, der er hundredtusindvis af gange tyndere og lettere end dem, der er baseret på silicium.

  

• Transistorer: Computerchips er afhængige af milliarder af transistorer til at styre strømmen af elektricitet i deres kredsløb. Forskningen har for det meste fokuseret på at gøre chips mere kraftfulde ved at pakke flere transistorer ind, og grafen kan helt sikkert give anledning til de tyndeste transistorer hidtil. Men transistorer kan også gøres mere kraftfulde ved at fremskynde strømmen af elektroner – de partikler, der udgør elektricitet. Da videnskaben nærmer sig grænsen for, hvor små transistorer kan være, kan grafen skubbe grænsen tilbage ved både at flytte elektronerne hurtigere og reducere deres størrelse til et par atomer eller mindre.
• Transparente skærme: Apparater som plasma-tv’er og telefoner er almindeligvis belagt med et materiale kaldet indium tinoxid. Producenterne er aktivt på udkig efter alternativer, der kan reducere omkostningerne og give bedre ledningsevne, fleksibilitet og gennemsigtighed. Grafen er en ny mulighed. Det er ikke reflekterende og virker meget gennemsigtigt. Dens ledningsevne kvalificerer den også som belægning til at skabe touchscreen-enheder. Da grafen er både stærkt og tyndt, kan det bøjes uden at gå i stykker, hvilket gør det til et godt match til den bøjelige elektronik, der snart vil komme på markedet.

Grafen kan også have anvendelser til kamerasensorer, DNA-sekventering, gasaflæsning, materialeforstærkning, vandafsaltning og andet.

Hvad er kritikken?

Grafen er stadig på et spædbarnsstadie i forhold til udviklede materialer som silicium og ITO. For at det kan blive udbredt, skal det kunne produceres i store mængder til omkostninger, der er lige så høje som eller lavere end de eksisterende materialer. Nye roll-to-roll-, dampaflejrings- og andre produktionsteknikker antyder, at dette er muligt, men de er endnu ikke klar til at bringe grafen på alle mobilskærme derude. Forskerne skal også fortsat arbejde på at forbedre grafenets gennemsigtighed og ledningsevne i dets kommercielle form.

Selv om grafen er lovende for transistorer, har det et stort problem: Det kan ikke slå strømmen af elektricitet “fra” som materialer som silicium, hvilket betyder, at elektriciteten vil strømme konstant. Det betyder, at grafen ikke kan fungere som en transistor i sig selv. Forskere udforsker nu måder at justere det på og kombinere det med andre materialer for at overvinde denne begrænsning. En teknik indebærer, at man placerer et lag af boronitrid – et andet et-atom-tyk materiale – mellem to lag grafen. Den resulterende transistor kan tændes og slukkes, men elektronernes hastighed er noget langsommere. En anden teknik indebærer, at der indføres urenheder i grafen.

Grafen kan også være ved at komme for sent til mange af dets mulige anvendelser. Batterier til elbiler og kulfiber kunne fremstilles med grafen, men de er allerede afhængige af henholdsvis aktivt kul og grafit – to meget billige materialer. Grafen vil fortsat være dyrere indtil videre og vil måske aldrig blive billigt nok til at overbevise producenterne om at skifte.

Verden er kun et årti inde i udforskningen af, hvad den kan gøre med grafen. I modsætning hertil har silicium eksisteret i næsten 200 år. Med det tempo, som forskningen bevæger sig i, kan vi meget snart vide, om grafen vil blive allestedsnærværende eller blot endnu et skridt på vejen til at opdage det næste vidundermateriale.