Grafenrevolutionen är snart här

De första grafenprodukter som kommer att nå ut på marknaden är sannolikt böjbara pekskärmar. Foto: LG
Med hjälp av membran av grafen skulle väte för att driva bränsleceller kunna hämtas direkt ur luften. Illustration: University of Manchester
Grafen skulle i framtiden kunna ersätta kisel i elektronik. Eftersom grafentransistorer kan göras mycket mindre än befintliga transistorer skulle det till exempel betyda att man får plats med betydligt fler transistorer på ett chip. Illustration: University of Manchester
Jari Kinaret vid Chalmers är projektledare för EU-satsningen Graphene Flagship. Foto: Jan-Olof Yxell/Chalmers
Grafen består av ett endast en atom tjockt lager av kolatomer ordnade i ett hexagonalt mönster och det tvådimensionella materialet har en rad unika egenskaper som skulle kunna revolutionera de flesta forskningsområden. Illustration: Chalmers
Grafit, tejprulle och grafentransistor som donerats till Nobelmuseet av Andre Geim och Konstantin Novoselov. Grafen framställdes ursprungligen och framställs ibland fortfarande genom att fånga upp flagor från en bit grafit med hjälp av vanlig tejp. Foto: Nobelmuseet

Det tvådimensionella materialet grafen har sedan det upptäcktes hyllats som ett mirakelmaterial. Med tanke på att det oerhört mångsidiga materialet tack vare sina unika egenskaper skulle kunna revolutionera nästan alla delar av våra liv, från konsumentelektronik till sjukvård och energi, är uppmärksamheten inte oförtjänt.

Grafen är precis som diamant eller grafit en variant, eller allotrop, av grundämnet kol. Faktum är att både grafen och den grafit som finns i helt vanliga blyertspennor har samma uppbyggnad och innehåller kolatomer ordnade i ett hexagonalt mönster. Det som gör grafen unikt är att det endast består av ett enda lager kolatomer och därmed kan betraktas som tvådimensionellt. Förutom att det betyder att grafen är extremt tunt är materialet dessutom mycket lätt och starkt och har en rad andra överlägsna egenskaper som gör det högintressant inom många olika forskningsområden och industriella tillämpningar.

Explosion i forskningsvärldenOlika forskare har försökt studera grafen så långt tillbaka i tiden som 1859, men de första flagorna av grafen isolerades först 2004 av de två ryskfödda forskarna Andre Geim och Kostya Novoselov vid University of Manchester i Storbritannien. För att framställa grafen från grafit använde Geim och Novoselov någonting så simpelt som tejp, ett knep som gav dem 2010 års Nobelpris i fysik.

Det faktum att grafen är världens första tvådimensionella material, vilket betyder att det kan ses som en enda stor molekyl och att det har egenskaper som skiljer sig avsevärt från vanliga tredimensionella materials egenskaper, gjorde att det snabbt fångade intresset hos forskare inom en mängd olika forskningsområden. Materialets fascinerande natur i kombination med att det tack vare Geim och Novoselovs genombrott kunde framställas utan stora investeringar och komplicerad utrustning ledde till en global explosion inom grafenforskningen och idag bedriver hundratals laboratorier världen över forskning som på ett eller annat sätt har anknytning till grafen.

Mirakulösa egenskaperGrafen är både det tunnaste och det lättaste materialet vi känner till. Det är en miljon gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå och en kvadratmeter grafen väger endast 0,77 milligram.

Samtidigt är grafen hårdare än diamant och omkring 200 gånger starkare än stål. Bindningarna mellan kolatomerna i grafen är så starka att det enligt James Hone vid Columbia University skulle krävas en elefant som balanserar på en penna för att bryta igenom ett plastfolieliknande ark av grafen.

Bindningarna mellan kolatomerna är också mycket flexibla, vilket gör grafen till ett väldigt töjbart och böjbart material.

Eftersom elektronerna i grafen, tack vare att de uppför sig som om de saknade massa, är otroligt snabba leder grafen dessutom elektricitet bättre än något annat känt material vid rumstemperatur och grafen har också den bästa värmeledningsförmågan.

Eftersom grafen bara absorberar 2,3 procent av det synliga ljus som träffar det är materialet även genomskinligt.

Grafen är också ogenomträngligt för såväl fasta material som vätskor och gaser.

Tack vare dessa och många fler unika egenskaper är möjligheterna för grafen, antingen på egen hand eller i kombination med andra material, i det närmaste oändliga.

Mångsidigt materialTrots att det framställdes för första gången för bara drygt tio år sedan förväntar sig forskarna vid University of Manchester att de första produkterna baserade på materialet kommer att släppas redan under 2015. Detta är emellertid bara början och många fler tillämpningar, i form av både fantastisk ny teknik och kraftiga förbättringar av befintlig teknik, väntar i framtiden.

De första grafenprodukterna som når marknaden kommer troligtvis att vara tunna, böjbara pekskärmar, för till exempel mobiltelefoner och elektroniskt papper. Den första prototypen för en grafenbaserad, böjbar skärm demonstrerades i september 2014 av Cambridge Graphene Centre och företaget Plastic Logic.

Grafen skulle emellertid även kunna leda till stora framsteg när det gäller batterier, solceller, sensorer, transistorer och annan elektronik.

Grafen kan också göra transportmedel som bilar och flygplan både säkrare och mer bränslesnåla genom att låta tillverkare ta fram extremt starka och lätta polymerer och kompositmaterial.

Inom biologin skulle man till exempel kunna utnyttja grafenets biologiska kompatibilitet för att åstadkomma billigare och snabbare DNA-sekvensering och man skulle även kunna använda grafen för att ta fram läkemedel som kan levereras direkt till specifika celler och nya behandlingsmetoder för cancer och andra sjukdomar som Parkinsons.

Grafen skulle dessutom kunna användas som ett membran för att separera vätskor, vid exempelvis rening och destillering av vatten, och i avancerade färger och andra ytbeläggningar, för att minska korrosionen och öka energieffektiviteten.

GrafenbatterierEn av de tillämpningar som utforskas vid University of Manchester är batterier och annan energilagring.

Enligt forskarna skulle elektroder av grafen kunna förlänga livslängden hos traditionella litiumjonbatterier och låta dem lagra större mängder energi under längre tid. Grafen skulle också möjliggöra snabbare uppladdning och med grafenbaserade superkondensatorer skulle en mobiltelefon kunna laddas på några sekunder och en elbil på några minuter. Eftersom de skulle vara extremt lätta skulle dessa superkondensatorer även minska vikten på till exempel elbilar.

Med hjälp av grafen kan batterier och superkondensatorer även göras så pass böjbara att de kan sys in i kläder eller till och med placeras under huden, där de kan laddas upp av kroppsvärmen eller solen.

Dessutom undersöker University of Manchester hur grafen skulle kunna användas vid lagring av energi från förnybara energikällor som solenergi och vindkraft.  

GrafensolcellerGrafens speciella elektriska egenskaper betyder att materialet i framtiden skulle kunna leda till solceller med mycket hög verkningsgrad. Dessutom skulle man genom att använda grafen kunna ta fram solceller som är hundratusentals gånger tunnare och lättare än dagens kiselsolceller.

Vid MIT (Massachusetts Institute of Technology) i USA arbetar en grupp forskare redan med att utveckla en ny typ av organiska solceller, som kombinerar en elektrod av grafen med ett lager av nanotrådar. Forskarnas arbete skulle kunna resultera i billiga solceller som är både genomskinliga och böjbara och som kan fästas på fönster, tak, mobiltelefonskärmar eller andra lämpliga ytor.

Att bygga upp halvledande nanustrukturer direkt på en grafenyta utan att försämra materialets elektriska och strukturella egenskaper har enligt Silvija Gradečak vid MIT varit en utmaning. Genom att täcka grafenytan med en polymerbaserad ytbeläggningar har de emellertid lyckats skapa ett hybridmaterial som bibehåller grafenets fördelaktiga egenskaper.

Även om den än så länge bara använts i liten skala menar forskarna dessutom att tillverkningsprocessen är skalbar och även skulle kunna användas för att tillverka större solceller.