Vad är grafen? Här är vad du behöver veta om ett material som kan bli nästa kisel

• Tweet
• Share
• Post

Grafene, ett framväxande material som kan förändra hur elektroniska komponenter tillverkas och bidra till att datorprestanda fortsätter att öka, är överallt i forskningsvärlden dessa dagar.

Enbart under denna månad har framsteg föreslagit att det skulle kunna öka internethastigheterna, fungera som en beröringskänslig beläggning och förlänga datorernas livslängd. Det är starkare än diamant och leder elektricitet och värme bättre än något annat material som någonsin upptäckts, och det kommer sannolikt att spela en viktig roll i många produkter och processer i framtiden.

Vad är grafen?

Grafen består av ett enda lager av kolatomer som är bundna till varandra i ett upprepat mönster av hexagoner. Grafen är en miljon gånger tunnare än papper; så tunt att det faktiskt anses vara tvådimensionellt.

Kol är ett otroligt mångsidigt grundämne. Beroende på hur atomerna är arrangerade kan det ge hårda diamanter eller mjuk grafit. Grafens platta honungskaksmönster ger det många ovanliga egenskaper, bland annat statusen som världens starkaste material. James Hone, professor i maskinteknik vid Columbia University, sade en gång att det är ”så starkt att det skulle krävas en elefant, balanserad på en blyertspenna, för att bryta igenom ett ark grafen som är lika tjockt som Saran Wrap”, enligt universitetet.

Dessa enskilda lager av kolatomer utgör grunden för andra viktiga material. Grafit – eller blyertspenna – bildas när man staplar grafen. Kolnanorör, som är ett annat framväxande material, tillverkas av hoprullat grafen. Dessa används i cyklar, tennisracketar och till och med i levande vävnadsteknik.

Hur upptäcktes det?

Chansen är stor att du har gjort grafen många gånger i ditt liv. Dra ett streck med en penna och små bitar av grafen kommer att flagna av. Men ingen hade både verktygen och intresset för att på ett tillförlitligt sätt isolera fristående grafen förrän i början av 2000-talet.

Grafen studerades först teoretiskt på 1940-talet. Vid den tiden trodde forskarna att det var fysiskt omöjligt för ett tvådimensionellt material att existera, så de försökte inte isolera grafen. Decennier senare ökade intresset och forskarna började drömma om tekniker för att skala upp grafen. De försökte klämma in molekyler mellan lager av grafen och skrapa och gnugga grafit, men de kom aldrig fram till ett enda lager. Så småningom lyckades de isolera grafen ovanpå andra material, men inte på egen hand.

2002 blev Andre Geim, forskare vid universitetet i Manchester, intresserad av grafen och utmanade en doktorand att polera en bit grafit till så få lager som möjligt. Studenten lyckades nå 1 000 lager, men kunde inte nå Geims mål om 10 till 100 lager. Geim försökte sig på en annan metod: tejp. Han applicerade det på grafit och drog bort det för att skapa flingor av grafen i lager. Fler tejpskivor skapade tunnare och tunnare lager, tills han hade en bit grafen som var 10 lager tjock.

Geims team arbetade med att förfina sin teknik och producerade så småningom ett enda lager av kolatomer. De publicerade sina resultat i ”Science” i oktober 2004. Geim och hans kollega Kostya Novoselov fick Nobelpriset i fysik 2010 för sitt arbete.

Sedan de första flingorna som gjordes med tejp har grafenproduktionen förbättrats i snabb takt. År 2009 kunde forskarna skapa en film av grafen som mätte 30 tum i diameter.

Varför är det ovanligt?

Geim och Novoselovs artikel var oerhört intressant för andra forskare på grund av dess beskrivning av grafenets märkliga fysiska egenskaper. Elektroner rör sig otroligt snabbt genom grafen och börjar uppvisa beteenden som om de vore masslösa, vilket efterliknar den fysik som styr partiklar i superliten skala.

”Den typen av interaktion inne i ett fast ämne är, så vitt man vet, unik för grafen”, skrev Geim och en annan berömd grafenforskare, Philip Kim, i en artikel i Scientific American 2008. ”Tack vare detta nya material från en blyertspenna är relativistisk kvantmekanik inte längre begränsad till kosmologi eller högenergifysik; den har nu kommit in i laboratoriet.”

Grafenes speciella egenskaper slutar inte med konstig fysik. Den är också:

• Ledande: Elektroner är de partiklar som utgör elektricitet. Så när grafen tillåter elektroner att röra sig snabbt, tillåter det elektricitet att röra sig snabbt. Det är känt att det flyttar elektroner 200 gånger snabbare än kisel eftersom de rör sig med så få avbrott. Det är också en utmärkt värmeledare. Grafen är ledande oberoende av temperatur och fungerar normalt vid rumstemperatur.
• Stark: Som tidigare nämnts skulle det krävas en elefant med utmärkt balans för att bryta igenom ett ark av grafen. Den är mycket stark på grund av sitt obrutna mönster och de starka bindningarna mellan kolatomerna. Även när fläckar av grafen sys ihop förblir det det starkaste materialet som finns.
• Flexibelt: Dessa starka bindningar mellan grafenets kolatomer är också mycket flexibla. De kan vridas, dras och böjas i viss utsträckning utan att gå sönder, vilket innebär att grafen är böjbart och sträckbart.
• Transparent: Grafen absorberar 2,3 procent av det synliga ljuset som träffar det, vilket innebär att du kan se igenom det utan att behöva hantera bländning.

Vad kan det användas till?

Användningen av grafen i vardagen är inte långt borta, delvis på grund av befintlig forskning om kolnanorör – den hoprullade, cylindriska versionen av grafen. Rören populariserades genom en artikel från 1991 (prenumeration krävs) och prisades för sina otroliga fysiska egenskaper, varav de flesta är mycket lika grafen. Men det är lättare att producera stora ark av grafen och det kan tillverkas på ett liknande sätt som kisel. Många av de nuvarande och planerade tillämpningarna för kolnanorör anpassas nu till grafen.

Några av de största nya tillämpningarna är:

• Solceller: Solceller är beroende av halvledare för att absorbera solljus. Halvledare består av ett grundämne som kisel och har två lager av elektroner. I det ena lagret är elektronerna lugna och stannar vid halvledarens sida. I det andra lagret kan elektronerna röra sig fritt och bilda ett flöde av elektricitet. Solceller fungerar genom att överföra energin från ljuspartiklar till de lugna elektronerna, som blir exciterade och hoppar till det fritt flödande lagret och skapar mer elektricitet. Grafens lager av elektroner överlappar faktiskt varandra, vilket innebär att mindre ljusenergi behövs för att få elektronerna att hoppa mellan lagren. I framtiden kan denna egenskap ge upphov till mycket effektiva solceller. Att använda grafen skulle också möjliggöra celler som är hundratusentals gånger tunnare och lättare än de som är beroende av kisel.

  

• Transistorer: Datorchip är beroende av miljarder transistorer för att styra flödet av elektricitet i deras kretsar. Forskningen har främst inriktats på att göra chipen kraftfullare genom att packa in fler transistorer, och grafen skulle säkert kunna ge upphov till de tunnaste transistorerna hittills. Men transistorer kan också göras mer kraftfulla genom att påskynda flödet av elektroner – de partiklar som utgör elektricitet. Eftersom vetenskapen närmar sig gränsen för hur små transistorer kan vara, skulle grafen kunna flytta tillbaka gränsen genom att både flytta elektroner snabbare och minska deras storlek till några atomer eller mindre.
• Transparenta skärmar: Enheter som plasma-TV-apparater och telefoner är ofta belagda med ett material som kallas indiumtinoxid. Tillverkare söker aktivt efter alternativ som kan sänka kostnaderna och ge bättre ledningsförmåga, flexibilitet och transparens. Grafen är ett nytt alternativ. Det är icke-reflekterande och verkar mycket genomskinligt. Dess ledningsförmåga kvalificerar det också som en beläggning för att skapa pekskärmsanordningar. Eftersom grafen är både starkt och tunt kan det böjas utan att gå sönder, vilket gör det till en bra match för den böjbara elektronik som snart kommer att nå marknaden.

Grafen skulle också kunna ha tillämpningar för kamerasensorer, DNA-sekvensering, gasavkänning, materialförstärkning, avsaltning av vatten och mer därutöver.

Vilka är kritikerna?

Grafen befinner sig fortfarande i ett barnsligt stadium jämfört med utvecklade material som kisel och ITO. För att det ska kunna användas i stor utsträckning måste det kunna produceras i stora mängder till kostnader som är lika höga eller lägre än de befintliga materialen. Nya tekniker för rullning till rulle, förångningsdeponering och andra produktionstekniker antyder att detta är möjligt, men de är ännu inte redo att ge grafen till alla skärmar i mobila enheter som finns. Forskarna kommer också att behöva fortsätta att arbeta för att förbättra grafenets transparens och ledningsförmåga i dess kommersiella form.

Och även om grafen är lovande för transistorer har det ett stort problem: det kan inte stänga av flödet av elektricitet på samma sätt som material som kisel, vilket innebär att elektriciteten kommer att flöda konstant. Det innebär att grafen inte kan fungera som en transistor på egen hand. Forskare utforskar nu sätt att justera det och kombinera det med andra material för att övervinna denna begränsning. En teknik innebär att man placerar ett lager av bornitrid – ett annat enatomtjockt material – mellan två lager grafen. Den resulterande transistorn kan slås på och stängas av, men elektronernas hastighet bromsas något. En annan teknik innebär att man inför föroreningar i grafen.

Grafen kan också vara på väg att växa fram för sent för många av sina möjliga tillämpningar. Elbilsbatterier och kolfiber skulle kunna tillverkas med grafen, men de är redan beroende av aktivt kol respektive grafit – två mycket billiga material. Grafen kommer att förbli dyrare för tillfället och kanske aldrig bli tillräckligt billigt för att övertyga tillverkarna om att byta.

Världen har bara ett decennium på nacken för att utforska vad den kan göra med grafen. Däremot har kisel funnits i nästan 200 år. I den takt som forskningen går kan vi mycket snart få veta om grafen kommer att bli allestädes närvarande eller om det bara är ytterligare ett steg på vägen mot att upptäcka nästa mirakelmaterial.