Hva er grafen? Her er hva du bør vite

Videre lesning

• Ni fantastiske bruksområder for grafen, fra filtrerende vann til smart maling
• Hva er Hyperloop? Her er alt du trenger å vite

I dag har et nytt materiale potensial til å endre fremtiden. Kalt et "supermateriale", har grafen forskere verden over forsøkt å prøve å forstå det bedre. Graphenes lange liste over mirakuløse egenskaper får det til å virke nesten magisk, men det kan ha veldig reelle og drastiske implikasjoner for fremtiden til fysikk og ingeniørfag.

Hva er egentlig grafen?

Den enkleste måten å beskrive grafen på er at det er et enkelt, tynt lag med grafitt - det myke, flassende materialet som brukes i blyantbly. Grafitt er en allotrop av grunnstoffet karbon, noe som betyr at det har de samme atomene, men de er ordnet på en annen måte, noe som gir materialet forskjellige egenskaper. For eksempel er både diamant og grafitt former for karbon, men de har veldig forskjellige naturer. Diamanter er utrolig sterke, mens grafitt er sprøtt. Grafens atomer er ordnet i et sekskantet arrangement.

Interessant nok, når grafen er isolert fra grafitt, får det noen mirakuløse egenskaper. Det er bare ett atom tykt, det første todimensjonale materialet som noen gang er oppdaget. Til tross for dette er grafen også et av de sterkeste materialene i det kjente universet. Med en strekkfasthet på 130 GPa (gigapascal) er den mer enn 100 ganger sterkere enn stål.

Grafens utrolige styrke til tross for at den er så tynn er allerede nok til å gjøre den fantastisk, men dens unike egenskaper slutter ikke der. Den er også fleksibel, gjennomsiktig, svært ledende og tilsynelatende ugjennomtrengelig for de fleste gasser og væsker. Det virker nesten som om det ikke er noe område der grafen ikke utmerker seg.

Historien om grafen: En rull med tape og en drøm

Grafitt har vært en kjent mengde i lang tid (mennesker har brukt det siden yngre steinalder). Atomstrukturen er godt dokumentert, og i lang tid funderte forskere på om enkeltlag med grafitt kunne isoleres. Inntil nylig var grafen imidlertid bare en teori, ettersom forskere var usikre på om det noen gang ville være mulig å kutte grafitt ned til et enkelt, atomtynt ark. Den første isolerte prøven av grafen ble oppdaget i 2004 av Andre Geim og Konstantin Novoselov ved University of Manchester. Man kunne forvente at de isolerte det sagnomsuste stoffet ved å bruke et massivt, dyrt maskineri, men verktøyet de brukte var morsomt enkelt: En rull med tape.

Da forskerne brukte tape for å polere en stor grafittblokk, la forskerne merke til eksepsjonelt tynne flak på tapen. Ved å fortsette å skrelle lag og lag fra flakene av grafitt, produserte de til slutt en prøve så tynn som mulig. De hadde funnet grafen. Oppdagelsen var så bisarr at den vitenskapelige verden var skeptisk til å begynne med. Det populære tidsskriftet Natur til og med avvist papiret deres om eksperimentet to ganger. Etter hvert ble forskningen deres publisert, og i 2010 ble Geim og Novoselov tildelt Nobelprisen i fysikk for sin oppdagelse.

Potensielle bruksområder

Hvis grafen bare hadde en av sine mange superlative egenskaper, ville det vært gjenstand for intens forskning på potensielle bruksområder. Siden den er så bemerkelsesverdig på så mange måter, har grafen inspirert forskere til å tenke på et bredt spekter av bruksområder for materialet, innen så varierte felt som forbrukerteknologi og miljøvitenskap.

Fleksibel elektronikk

I tillegg til sine kraftige elektriske egenskaper, er grafen også svært fleksibel og gjennomsiktig. Dette gjør den attraktiv for bruk i bærbar elektronikk. Smarttelefoner og nettbrett kan bli mye mer holdbare ved å bruke grafen, og kanskje til og med brettes opp som papir. Bærbare elektroniske enheter har vokst i popularitet den siste tiden. Med grafen kan disse enhetene gjøres enda mer nyttige, designet for å passe tett rundt lemmer og bøyes for å imøtekomme ulike former for trening.

Graphens fleksibilitet og mikroskopiske bredde gir imidlertid muligheter utover bare forbrukerenheter. Det kan også være nyttig i biomedisinsk forskning. Små maskiner og sensorer kan lages med grafen, i stand til å bevege seg enkelt og ufarlig gjennom menneskekroppen, analysere vev eller til og med levere medisiner til bestemte områder. Karbon er allerede en avgjørende ingrediens i menneskekroppen; litt grafen tilsatt kan ikke skade.

Solceller/solcelle

Grafen er både svært ledende og transparent. Som sådan har det et stort potensial som materiale i solceller. Vanligvis bruker solceller silisium, som produserer en ladning når et foton treffer materialene, og slår løs et fritt elektron. Silisium frigjør bare ett elektron per foton som treffer det. Forskning har indikert at grafen kan frigjøre flere elektroner for hvert foton som treffer det. Som sådan kan grafen være langt bedre til å konvertere solenergi. Om ikke lenge kan billigere, kraftigere grafenceller produsere en massiv økning i fornybar energi.

Graphenes fotovoltaiske egenskaper betyr også at det kan brukes til å utvikle bedre bildesensorer for enheter som kameraer.

Halvledere

På grunn av sin høye ledningsevne kan grafen brukes i halvledere for å øke hastigheten som informasjon beveger seg med. Nylig utførte Department of Energy tester som viste at halvledende polymerer leder elektrisitet mye raskere når de plasseres på toppen av et lag med grafen enn et lag med silisium. Dette gjelder selv om polymeren er tykkere. En polymer 50 nanometer tykk, når den ble plassert på toppen av et grafenlag, ledet en ladning bedre enn et 10 nanometer lag av polymeren. Dette fløy i møte med tidligere visdom som mente at jo tynnere en polymer er, jo bedre kan den lede ladning.

Den største hindringen for bruk av grafen i elektronikk er mangelen på et båndgap, gapet mellom valens- og ledningsbånd i et materiale som, når det krysses, tillater en flyt av elektrisk strøm. Båndgapet er det som gjør at halvledende materialer som silisium kan fungere som transistorer; de kan bytte mellom å isolere eller lede en elektrisk strøm, avhengig av om elektronene deres skyves over båndgapet eller ikke.

Forskere har testet en rekke metoder for å gi grafen et båndgap; hvis vellykket, kan det føre til mye raskere elektronikk bygget med grafen.

Vannfiltrering

Grafens tette atombindinger gjør den ugjennomtrengelig for nesten alle gasser og væsker. Merkelig nok er vannmolekyler et unntak. Fordi vann kan fordampe gjennom grafen mens de fleste andre gasser og væsker ikke kan, kan grafen være et eksepsjonelt verktøy for filtrering. Forskere ved University of Manchester testet grafens permeabilitet med alkohol og var i stand til det destiller svært sterke prøver av brennevin, da bare vannet i prøvene var i stand til å passere gjennom grafen.

Selvfølgelig har bruk av grafen som et filter potensial utover å destillere sterkere brennevin. Grafen kan også være svært nyttig for å rense vann for giftstoffer. I en studie publisert av The Royal Society of Chemistry, viste forskere at oksidert grafen kunne til og med trekke inn radioaktive materialer som uran og plutonium som finnes i vann, slik at væsken blir fri for forurensninger. Implikasjonene av denne studien er enorme. Noen av de største miljøfarene i historien, inkludert kjernefysisk avfall og kjemisk avrenning, kan renses fra vannkilder takket være grafen.

Ettersom overbefolkning fortsetter å være en av verdens mest presserende miljøhensyn, vil opprettholdelse av rene vannforsyninger bare bli viktigere. Vannmangel rammer faktisk mer enn en milliard mennesker over hele verden, et tall som bare vil fortsette å stige gitt dagens trender. Grafenfiltre har et enormt potensial for å forbedre vannrensing, og øke mengden ferskvann tilgjengelig. Faktisk utviklet Lockheed Martin nylig et grafenfilter kalt "Perforene", som selskapet hevder kan revolusjonere avsaltingsprosessen.

Nåværende avsaltingsanlegg bruker en metode som kalles omvendt osmose for å filtrere salt ut av sjøvann. Omvendt osmose bruker trykk for å flytte vann gjennom en membran. For å produsere store mengder drikkevann krever trykket enorme mengder energi. EN Lockheed Martin-ingeniør hevder Perforene-filtrene deres kan redusere energibehovet hundre ganger mindre enn andre filtre.

MIT laget grafen med "nanoporer"

Filtrering er en av grafens mest åpenbare bruksområder, og MIT-ingeniører har gjort store fremskritt i å perfeksjonere grafens evne til å skille molekyler. I 2018, kom et team ved MIT opp med en metode for å lage små "nålestikk" hull i ark med grafen. MITs forskere bruker en "rull-til-rull"-tilnærming for å produsere grafen. Oppsettet deres involverer to spoler: En spole mater et ark med kobber inn i en ovn hvor det varmes opp til passende temperatur, så tilsetter ingeniørene metan og hydrogengass, som i hovedsak forårsaker bassenger av grafen å danne. Grafenfilmen går ut av ovnen og slynger seg på den andre spolen.

I teorien tillater denne prosessen at store ark med grafen kan dannes på relativt kort tid, noe som er avgjørende for kommersielle applikasjoner. Forskere måtte finjustere prosessen for å få grafenet til å danne seg perfekt, og interessant nok viste de ufullkomne forsøkene underveis seg nyttige senere. Da MIT-teamet prøvde å lage porer i grafen, startet de med å bruke oksygenplasma for å skjære dem ut. Ettersom denne prosessen viste seg å ta tid, ønsket de noe raskere og så til sine tidligere eksperimenter for å finne løsninger. Ved å senke temperaturen under grafenens vekst, fikk de porer til å vises. Det som dukket opp som defekter under utviklingsprosessen, endte opp som en nyttig måte å lage porøs grafen på.

Superledningsevne

Ikke lenge etter Det demonstrerte forskere ved Cambridge at grafen kan fungere som en superleder (et materiale uten elektrisk motstand) når det pares med praseodym cerium kobberoksid, forskere ved MIT oppdaget en annen forbløffende egenskap: Den kan tilsynelatende fungere som en superleder alene, i riktig konfigurasjon. Forskerne stablet to skiver grafen, men forskjøvet dem med en vinkel på 1,1 grader. I følge en rapport publisert i Nature, "fysiker Pablo Jarillo-Herrero ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge og teamet hans lette ikke etter superledning da de satte opp eksperiment. I stedet undersøkte de hvordan orienteringen kalt den magiske vinkelen kan påvirke grafen.»

Det de oppdaget er at når de kjørte elektrisitet gjennom den off-kilter grafenstabelen, fungerte den som en superleder. Denne enkle prosessen med å bruke elektrisitet gjør grafen lettere å studere enn en tilsvarende klasse av superledere, cuprates, selv om disse materialene viser superledningsevne på mye høyere temperaturer. De fleste materialer som viser superledning gjør det bare nær en temperatur på absolutt null. Noen såkalte "høytemperatur-superledere" kan vise superledning ved temperaturer rundt 133 Kelvin (-140 Celsius), som er relativt høyt; hydrogensulfid, under nok trykk, viser egenskapen kl en mirakuløs -70 grader Celsius!

Grafen-arrangementet måtte avkjøles til 1,7 grader over det absolutte nullpunktet, men forskerne anser dets oppførsel som lik oppførselen til cuprates, og så de håper at det vil være et mye enklere materiale for å studere ukonvensjonell superledning, som fortsatt er et område med stor uenighet blant fysikere. Fordi superledning vanligvis bare skjer ved så lave temperaturer, brukes superledere bare i kostbare maskiner som MR-maskiner, men forskere håper å en dag finne en superleder som fungerer ved romtemperatur, noe som vil redusere kostnadene ved å fjerne behovet for kjøling enheter.

I en studie publisert i 2019, viste forskere hvordan vridning av lag med grafen ved spesifikke "magiske" vinkler kan produsere superledende egenskaper ved lavere temperaturer enn før.

Myggforsvar

Få skapninger er så avskyelige som myggen, med deres kløende bitt og tendens til å spre fryktelige sykdommer som malaria. Heldigvis har forskere ved Brown University funnet en mulig løsning ved å bruke grafen. Forskningen, publisert i 2019, viser at en grafenfilm på huden ikke bare blokkerte mygg fra å bite, men til og med avskrekket dem fra å lande på huden i utgangspunktet. En mulig forklaring er at grafenet hindret myggen i å lukte byttedyr.

Fremtiden til grafenforskning

Gitt grafenens tilsynelatende endeløse liste over styrker, ville man forvente å se det overalt. Hvorfor har ikke grafen blitt bredt tatt i bruk? Som med det meste handler det om penger. Grafen er fortsatt ekstremt dyrt å produsere i store mengder, noe som begrenser bruken i ethvert produkt som krever masseproduksjon. Dessuten, når store ark med grafen produseres, er det økt risiko for at det oppstår små sprekker og andre feil i materialet. Uansett hvor utrolig en vitenskapelig oppdagelse kan være, vil økonomi alltid avgjøre suksess.

Produksjonsproblemer til side, grafenforskningen bremser på ingen måte. Forskningslaboratorier over hele verden – inkludert University of Manchester, hvor grafen først ble oppdaget – innleverer kontinuerlig patenter for nye metoder for å lage og bruke grafen. Den europeiske union godkjente midler til et flaggskipprogram i 2013, et som skal finansiere grafenforskning for bruk i elektronikk. I mellomtiden forsker store teknologiselskaper i Asia på grafen, inkludert Samsung.

Revolusjoner skjer ikke over natten. Silisium ble oppdaget på midten av 1800-tallet, men det tok nesten et århundre før silisiumhalvledere banet vei for fremveksten av datamaskiner. Kan grafen, med sine nesten mytiske kvaliteter, være ressursen som driver den neste æraen i menneskets historie? Bare tiden vil vise.

Redaktørenes anbefalinger

• De beste lysterapilampene
• Hvor lenge skal apparatene dine vare?
• De beste solcelleladerne for din telefon eller nettbrett
• 17 svarte oppfinnere som forandret teknologiverdenen
• De beste helse- og treningsdingsene