Hvad er grafen? Her er hvad du bør vide

Yderligere læsning

• Ni fantastiske anvendelsesmuligheder for grafen, fra filtrerende vand til smart maling
• Hvad er Hyperloop? Her er alt, hvad du behøver at vide

I dag har et nyt materiale potentiale til at ændre fremtiden. Kaldt et "supermateriale" har grafen forskere verden over forvansket sig for bedre at forstå det. Graphenes lange liste af mirakuløse træk får det til at virke næsten magisk, men det kan have meget reelle og drastiske konsekvenser for fremtiden for fysik og teknik.

Hvad er grafen helt præcist?

Den enkleste måde at beskrive grafen på er, at det er et enkelt, tyndt lag grafit - det bløde, flagende materiale, der bruges i blyantbly. Grafit er en allotrop af grundstoffet kulstof, hvilket betyder, at det har de samme atomer, men de er arrangeret på en anden måde, hvilket giver materialet forskellige egenskaber. For eksempel er både diamant og grafit former for kulstof, men alligevel har de meget forskellig natur. Diamanter er utroligt stærke, mens grafit er skørt. Grafens atomer er arrangeret i et sekskantet arrangement.

Interessant nok, når grafen er isoleret fra grafit, får det nogle mirakuløse egenskaber. Det er blot et atom tykt, det første todimensionelle materiale, der nogensinde er opdaget. På trods af dette er grafen også et af de stærkeste materialer i det kendte univers. Med en trækstyrke på 130 GPa (gigapascal) er den mere end 100 gange stærkere end stål.

Graphens utrolige styrke på trods af at det er så tyndt, er allerede nok til at gøre det fantastisk, men dets unikke egenskaber slutter ikke der. Den er også fleksibel, gennemsigtig, meget ledende og tilsyneladende uigennemtrængelig for de fleste gasser og væsker. Det virker næsten, som om der ikke er noget område, hvor grafen ikke udmærker sig.

Grafenens historie: En rulle tape og en drøm

Grafit har været en kendt mængde i lang tid (mennesker har brugt det siden den neolitiske æra). Dens atomare struktur er veldokumenteret, og i lang tid overvejede forskere, om enkelte lag af grafit kunne isoleres. Indtil for nylig var grafen dog kun en teori, da forskerne var usikre på, om det nogensinde ville være muligt at skære grafit ned til et enkelt, atom-tyndt ark. Den første isolerede prøve af grafen blev opdaget i 2004 af Andre Geim og Konstantin Novoselov ved University of Manchester. Man kunne forvente, at de isolerede det sagnomspundne stof ved hjælp af et massivt, dyrt stykke maskineri, men værktøjet, de brugte, var underholdende enkelt: En rulle scotch tape.

Da forskerne brugte tape til at polere en stor grafitblok, bemærkede forskerne usædvanligt tynde flager på tapen. Idet de fortsatte med at skrælle lag og lag fra flagerne af grafit, producerede de til sidst en prøve så tynd som muligt. De havde fundet grafen. Opdagelsen var så bizar, at den videnskabelige verden var skeptisk i starten. Den populære journal Natur selv afviste deres papir om eksperimentet to gange. Til sidst blev deres forskning offentliggjort, og i 2010 blev Geim og Novoselov tildelt Nobelprisen i fysik for deres opdagelse.

Potentielle anvendelser

Hvis grafen blot havde et af dets mange superlative træk, ville det være genstand for intens forskning i potentielle anvendelser. Da grafen er så bemærkelsesværdig på så mange måder, har det inspireret videnskabsmænd til at tænke på en bred vifte af anvendelser af materialet inden for så forskellige områder som forbrugerteknologi og miljøvidenskab.

Fleksibel elektronik

Ud over dets kraftfulde elektriske egenskaber er grafen også meget fleksibel og gennemsigtig. Dette gør den attraktiv til brug i bærbar elektronik. Smartphones og tablets kunne blive meget mere holdbare ved hjælp af grafen, og måske endda kunne foldes sammen som papir. Bærbare elektroniske enheder er vokset i popularitet for nylig. Med grafen kunne disse enheder gøres endnu mere nyttige, designet til at passe tæt omkring lemmer og bøje for at rumme forskellige former for træning.

Graphens fleksibilitet og mikroskopiske bredde giver dog muligheder ud over blotte forbrugerenheder. Det kan også være nyttigt i biomedicinsk forskning. Små maskiner og sensorer kunne fremstilles med grafen, der er i stand til at bevæge sig let og harmløst gennem den menneskelige krop, analysere væv eller endda levere medicin til specifikke områder. Kulstof er allerede en afgørende ingrediens i den menneskelige krop; lidt grafen tilføjet kan ikke skade.

Solceller/solcelle

Grafen er både meget ledende og gennemsigtigt. Som sådan har det et stort potentiale som materiale i solceller. Typisk bruger solceller silicium, som producerer en ladning, når en foton rammer materialerne og slår en fri elektron løs. Silicium frigiver kun én elektron pr. foton, der rammer den. Forskning har vist, at grafen kan frigive flere elektroner for hver foton, der rammer den. Som sådan kunne grafen være langt bedre til at konvertere solenergi. Inden længe kunne billigere, mere kraftfulde grafenceller producere en massiv stigning i vedvarende energi.

Graphenes fotovoltaiske egenskaber betyder også, at det kunne bruges til at udvikle bedre billedsensorer til enheder som kameraer.

Halvledere

På grund af dets høje ledningsevne kunne grafen bruges i halvledere for i høj grad at øge hastigheden, hvormed information bevæger sig. For nylig gennemførte Department of Energy tests, der viste, at halvledende polymerer leder elektricitet meget hurtigere, når de placeres oven på et lag af grafen end et lag af silicium. Dette gælder, selvom polymeren er tykkere. En polymer på 50 nanometer tyk, når den blev anbragt oven på et grafenlag, førte en ladning bedre end et 10 nanometer lag af polymeren. Dette fløj i øjnene af tidligere visdom, som mente, at jo tyndere en polymer er, jo bedre kan den lede ladning.

Den største hindring for grafens brug i elektronik er dens mangel på et båndgab, kløften mellem valens- og ledningsbånd i et materiale, der, når det krydses, tillader en strøm af elektrisk strøm. Båndgabet er det, der tillader halvledende materialer som silicium at fungere som transistorer; de kan skifte mellem at isolere eller lede en elektrisk strøm, alt efter om deres elektroner skubbes hen over båndgabet eller ej.

Forskere har afprøvet en række metoder til at give grafen et båndgab; hvis det lykkes, kan det føre til meget hurtigere elektronik bygget med grafen.

Vandfiltrering

Grafens tætte atombindinger gør det uigennemtrængeligt for næsten alle gasser og væsker. Mærkeligt nok er vandmolekyler en undtagelse. Fordi vand kan fordampe gennem grafen, mens de fleste andre gasser og væsker ikke kan, kunne grafen være et enestående værktøj til filtrering. Forskere ved University of Manchester testede grafens permeabilitet med alkohol og var i stand til det destiller meget stærke prøver af spiritus, da kun vandet i prøverne var i stand til at passere gennem grafen.

Selvfølgelig har grafens brug som et filter potentiale ud over at destillere stærkere spiritus. Grafen kan også være enormt nyttigt til at rense vand for toksiner. I en undersøgelse offentliggjort af The Royal Society of Chemistry viste forskere, at oxideret grafen kunne endda trække radioaktive materialer som uran og plutonium til stede i vand, så væsken efterlades fri for forurenende stoffer. Implikationerne af denne undersøgelse er massive. Nogle af de største miljøfarer i historien, herunder nukleart affald og kemisk afstrømning, kunne renses fra vandkilder takket være grafen.

Da overbefolkning fortsat er en af ​​verdens mest presserende miljøproblemer, vil opretholdelse af rene vandforsyninger kun blive vigtigere. Faktisk rammer vandknaphed mere end en milliard mennesker verden over, et tal, der kun vil fortsætte med at stige givet de nuværende tendenser. Grafenfiltre har et enormt potentiale til at forbedre vandrensningen, hvilket øger mængden af ​​tilgængeligt ferskvand. Faktisk udviklede Lockheed Martin for nylig et grafenfilter kaldet "Perforene", som virksomheden hævder kunne revolutionere afsaltningsprocessen.

Nuværende afsaltningsanlæg bruger en metode kaldet omvendt osmose til at filtrere salt ud af havvand. Omvendt osmose bruger tryk til at flytte vand gennem en membran. For at producere store mængder drikkevand kræver det involverede tryk enorme mængder energi. EN Lockheed Martin-ingeniør hævder deres Perforene-filtre kunne reducere energibehovet hundrede gange mindre end andre filtre.

MIT skabte grafen med "nanoporer"

Filtrering er en af ​​grafens mest åbenlyse anvendelser, og MIT-ingeniører har gjort store fremskridt med at perfektionere grafens evne til at adskille molekyler. I 2018, kom et team på MIT med en metode til at skabe små "nåleprikkede" huller i ark af grafen. MIT's forskere bruger en "roll-to-roll" tilgang til at producere grafen. Deres opsætning involverer to spoler: En spole fører et ark kobber ind i en ovn, hvor det opvarmes til passende temperatur, så tilføjer ingeniørerne metan og brintgas, som i det væsentlige forårsager puljer af grafen at danne. Grafenfilmen kommer ud af ovnen og snor sig på den anden spole.

I teorien giver denne proces mulighed for at danne store ark grafen på relativt kort tid, hvilket er afgørende for kommercielle applikationer. Forskere var nødt til at finjustere processen for at få grafenet til at danne sig perfekt, og interessant nok viste de uperfekte forsøg undervejs sig nyttige senere. Da MIT-holdet forsøgte at skabe porer i grafen, startede de med at bruge iltplasma til at skære dem ud. Da denne proces viste sig at være tidskrævende, ville de have noget hurtigere og kiggede på deres tidligere eksperimenter for at finde løsninger. Ved at sænke temperaturen under grafenens vækst fik de porer til at fremstå. Det, der viste sig som defekter under udviklingsprocessen, endte med at blive en nyttig måde at skabe porøs grafen på.

Superledningsevne

Ikke længe efter videnskabsmænd ved Cambridge demonstrerede at grafen kan fungere som en superleder (et materiale uden elektrisk modstand), når det parres med praseodym cerium kobberoxid, forskere ved MIT opdaget en anden forbløffende egenskab: Den kan tilsyneladende fungere som en superleder alene, i den rigtige konfiguration. Forskerne stablede to skiver grafen, men forskudte dem med en vinkel på 1,1 grader. Ifølge en rapport offentliggjort i Nature, "fysiker Pablo Jarillo-Herrero ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge og hans team ledte ikke efter superledning, da de satte deres eksperiment. I stedet for undersøgte de, hvordan orienteringen kaldet den magiske vinkel kunne påvirke grafen."

Det, de opdagede, er, at når de kørte elektricitet gennem den off-kilter grafen-stabel, fungerede den som en superleder. Denne enkle proces med at anvende elektricitet gør grafen lettere at studere end en lignende klasse af superledere, cuprates, selvom disse materialer udviser superledning meget højere temperaturer. De fleste materialer, der udviser superledning, gør det kun i nærheden af ​​en temperatur på det absolutte nulpunkt. Nogle såkaldte "højtemperatur-superledere" kan vise superledning ved temperaturer omkring 133 Kelvin (-140 Celsius), hvilket er relativt højt; svovlbrinte, under tilstrækkeligt tryk, viser ejendommen kl en mirakuløs -70 grader celsius!

Grafen-arrangementet skulle afkøles til 1,7 grader over det absolutte nulpunkt, men forskerne anser dets adfærd for at ligne cuprates, og så de håber, at det vil være et meget lettere materiale til at studere ukonventionel superledning, hvilket stadig er et område med stor uenighed blandt fysikere. Fordi superledning typisk kun sker ved så lave temperaturer, bruges superledere kun i dyre maskiner som MRI-maskiner, men forskere håber på en dag at finde en superleder, der fungerer ved stuetemperatur, hvilket ville reducere omkostningerne ved at fjerne behovet for afkøling enheder.

I en undersøgelse offentliggjort i 2019, viste forskere, hvordan vridning af lag af grafen ved specifikke "magiske" vinkler kan producere superledende egenskaber ved lavere temperaturer end før.

Myggeforsvar

Få væsner er så afskyelige som myggen, hvad med deres kløende bid og tendens til at sprede forfærdelige sygdomme som malaria. Heldigvis har forskere ved Brown University fundet en mulig løsning ved hjælp af grafen. Forskningen, udgivet i 2019, viser, at en grafenfilm på huden ikke kun blokerede myg i at bide, men endda afholdt dem fra at lande på huden i første omgang. En mulig forklaring er, at grafen forhindrede myggene i at lugte bytte.

Fremtiden for grafenforskning

I betragtning af grafenens tilsyneladende endeløse liste over styrker, ville man forvente at se det overalt. Hvorfor er grafen så ikke blevet udbredt? Som med de fleste ting handler det om penge. Grafen er stadig ekstremt dyrt at producere i store mængder, hvilket begrænser dets anvendelse i ethvert produkt, der ville kræve masseproduktion. Når der produceres store plader af grafen, er der desuden en øget risiko for, at der opstår små sprækker og andre fejl i materialet. Uanset hvor utrolig en videnskabelig opdagelse er, vil økonomi altid afgøre succes.

Bortset fra produktionsproblemer er grafenforskningen på ingen måde langsommere. Forskningslaboratorier verden over - herunder University of Manchester, hvor grafen først blev opdaget - indgiver konstant patenter på nye metoder til at skabe og bruge grafen. Den Europæiske Union godkendte midler til et flagskibsprogram i 2013, som vil finansiere forskning i grafen til brug i elektronik. I mellemtiden udfører store teknologivirksomheder i Asien forskning i grafen, herunder Samsung.

Revolutioner sker ikke fra den ene dag til den anden. Silicium blev opdaget i midten af ​​det 19. århundrede, men det tog næsten et århundrede, før siliciumhalvledere banede vejen for fremkomsten af ​​computere. Kunne grafen med dets næsten mytiske kvaliteter være den ressource, der driver den næste æra af menneskehedens historie? Det vil tiden vise.

Redaktørens anbefalinger

• De bedste lysterapilamper
• Hvor længe skal dine apparater holde?
• De bedste solcelleopladere til din telefon eller tablet
• 17 sorte opfindere, der ændrede teknologiverdenen
• De bedste helse- og fitnessgadgets