Vad är grafen? Här är vad du bör veta

Vidare läsning

• Nio fantastiska användningsområden för grafen, från filtrerande vatten till smart färg
• Vad är Hyperloop? Här är allt du behöver veta

Idag har ett nytt material potential att förändra framtiden. Kallas ett "supermaterial", grafen har forskare över hela världen kämpat för att bättre förstå det. Graphenes långa lista av mirakulösa egenskaper gör att det verkar nästan magiskt, men det kan ha mycket verkliga och drastiska konsekvenser för framtiden för fysik och ingenjörskonst.

Vad är grafen egentligen?

Det enklaste sättet att beskriva grafen är att det är ett enda, tunt lager grafit - det mjuka, flagnande materialet som används i blyertspenna. Grafit är en allotrop av elementet kol, vilket betyder att det har samma atomer men de är ordnade på ett annat sätt, vilket ger materialet olika egenskaper. Till exempel är både diamant och grafit former av kol, men de har väldigt olika natur. Diamanter är otroligt starka, medan grafit är spröd. Grafens atomer är ordnade i ett hexagonalt arrangemang.

Intressant nog, när grafen isoleras från grafit får det några mirakulösa egenskaper. Det är bara en atoms tjocklek, det första tvådimensionella materialet som någonsin upptäckts. Trots detta är grafen också ett av de starkaste materialen i det kända universum. Med en draghållfasthet på 130 GPa (gigapascal) är den mer än 100 gånger starkare än stål.

Grafens otroliga styrka trots att den är så tunn är redan tillräckligt för att göra den fantastisk, men dess unika egenskaper slutar inte där. Den är också flexibel, transparent, mycket ledande och till synes ogenomtränglig för de flesta gaser och vätskor. Det verkar nästan som om det inte finns något område där grafen inte utmärker sig.

Grafenens historia: En tejprulle och en dröm

Grafit har varit en känd kvantitet under lång tid (människor har använt det sedan den neolitiska eran). Dess atomstruktur är väldokumenterad, och under lång tid funderade forskare på om enstaka lager av grafit kunde isoleras. Tills nyligen var grafen dock bara en teori, eftersom forskare var osäkra på om det någonsin skulle vara möjligt att skära grafit till ett enda, atomtunt ark. Det första isolerade provet av grafen upptäcktes 2004 av Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester. Man kan förvänta sig att de isolerade den sagolika substansen med hjälp av någon massiv, dyr maskin, men verktyget de använde var underhållande enkelt: en rulle tejp.

När forskarna använde tejp för att polera ett stort block av grafit, märkte forskarna exceptionellt tunna flagor på tejpen. De fortsatte att skala lager och lager från grafitflingorna och producerade så småningom ett prov så tunt som möjligt. De hade hittat grafen. Upptäckten var så bisarr, den vetenskapliga världen var skeptisk till en början. Den populära tidskriften Natur avvisade till och med deras papper om experimentet två gånger. Så småningom publicerades deras forskning och 2010 tilldelades Geim och Novoselov Nobelpriset i fysik för sin upptäckt.

Potentiella applikationer

Om grafen bara hade en av dess många superlativa egenskaper, skulle det vara föremål för intensiv forskning om potentiella användningsområden. Eftersom grafen är så anmärkningsvärt på så många sätt har det inspirerat forskare att tänka på ett brett utbud av användningsområden för materialet, inom så varierande områden som konsumentteknik och miljövetenskap.

Flexibel elektronik

Förutom dess kraftfulla elektriska egenskaper är grafen också mycket flexibel och transparent. Detta gör den attraktiv att använda i bärbar elektronik. Smartphones och surfplattor skulle kunna bli mycket mer hållbara med grafen, och kanske till och med kunna vikas ihop som papper. Bärbara elektroniska enheter har ökat i popularitet nyligen. Med grafen kan dessa enheter göras ännu mer användbara, utformade för att passa tätt runt armar och ben och böjas för att rymma olika former av träning.

Graphens flexibilitet och mikroskopiska bredd ger dock möjligheter utöver bara konsumentenheter. Det kan också vara användbart i biomedicinsk forskning. Små maskiner och sensorer kan tillverkas med grafen, som kan röra sig lätt och ofarligt genom människokroppen, analysera vävnad eller till och med leverera läkemedel till specifika områden. Kol är redan en avgörande ingrediens i människokroppen; lite grafen tillsatt kanske inte skadar.

Solceller/solceller

Grafen är både mycket ledande och transparent. Som sådan har det stor potential som material i solceller. Vanligtvis använder solceller kisel, som producerar en laddning när en foton träffar materialen och slår loss en fri elektron. Kisel frigör bara en elektron per foton som träffar den. Forskning har visat att grafen kan frigöra flera elektroner för varje foton som träffar den. Som sådan kan grafen vara mycket bättre på att omvandla solenergi. Snart kan billigare, mer kraftfulla grafenceller producera en massiv ökning av förnybar energi.

Graphens fotovoltaiska egenskaper gör också att det kan användas för att utveckla bättre bildsensorer för enheter som kameror.

Halvledare

På grund av sin höga ledningsförmåga kan grafen användas i halvledare för att kraftigt öka hastigheten med vilken information färdas. Nyligen genomförde Department of Energy tester som visade att halvledande polymerer leder elektricitet mycket snabbare när de placeras ovanpå ett lager av grafen än ett lager av kisel. Detta gäller även om polymeren är tjockare. En 50 nanometer tjock polymer ledde, när den placerades ovanpå ett grafenlager, en laddning bättre än ett 10 nanometers lager av polymeren. Detta flög i ansiktet på tidigare visdom som ansåg att ju tunnare en polymer är, desto bättre kan den leda laddning.

Det största hindret för grafens användning inom elektronik är dess avsaknad av ett bandgap, gapet mellan valens- och ledningsband i ett material som, när det korsas, tillåter ett flöde av elektrisk ström. Bandgapet är det som gör att halvledande material som kisel kan fungera som transistorer; de kan växla mellan att isolera eller leda en elektrisk ström, beroende på om deras elektroner trycks över bandgapet eller inte.

Forskare har testat en mängd olika metoder för att ge grafen ett bandgap; om det lyckas kan det leda till mycket snabbare elektronik byggd med grafen.

Vattenfiltrering

Grafens täta atombindningar gör det ogenomträngligt för nästan alla gaser och vätskor. Märkligt nog är vattenmolekyler ett undantag. Eftersom vatten kan avdunsta genom grafen medan de flesta andra gaser och vätskor inte kan, kan grafen vara ett exceptionellt verktyg för filtrering. Forskare vid University of Manchester testade grafens permeabilitet med alkohol och kunde destillera mycket starka prover av sprit, eftersom endast vattnet i proverna kunde passera genom grafen.

Naturligtvis har grafens användning som filter potential utöver destillering av starkare sprit. Grafen kan också vara oerhört användbart för att rena vatten från gifter. I en studie publicerad av The Royal Society of Chemistry visade forskare att oxiderad grafen kunde till och med dra in radioaktiva material som uran och plutonium som finns i vatten och lämna vätskan fri från föroreningar. Konsekvenserna av denna studie är enorma. Några av de största miljöriskerna i historien, inklusive kärnavfall och kemiskt avrinning, kunde rensas från vattenkällor tack vare grafen.

Eftersom överbefolkning fortsätter att vara en av världens mest angelägna miljöhänsyn, kommer det bara att bli viktigare att upprätthålla rent vatten. Faktum är att vattenbrist drabbar mer än en miljard människor världen över, en siffra som bara kommer att fortsätta att öka med nuvarande trender. Grafenfilter har en enorm potential att förbättra vattenrening, vilket ökar mängden färskvatten tillgängligt. Faktum är att Lockheed Martin nyligen utvecklade ett grafenfilter som heter "Perforene", som företaget hävdar kan revolutionera avsaltningsprocessen.

Nuvarande avsaltningsanläggningar använder en metod som kallas omvänd osmos för att filtrera ut salt ur havsvatten. Omvänd osmos använder tryck för att föra vatten genom ett membran. För att producera stora mängder dricksvatten kräver trycket enorma mängder energi. A Lockheed Martins ingenjör hävdar deras Perforene-filter kan minska energibehovet hundra gånger mindre än för andra filter.

MIT skapade grafen med "nanoporer"

Filtrering är en av grafens mest uppenbara användningsområden, och MIT-ingenjörer har gjort stora framsteg i att fullända grafens förmåga att separera molekyler. År 2018, kom ett team vid MIT på en metod för att skapa små "nålstickade" hål i ark av grafen. MIT: s forskare använder en "roll-to-roll"-metod för att producera grafen. Deras uppställning involverar två spolar: En spole matar ett kopparark in i en ugn där det värms upp till lämplig temperatur, då tillsätter ingenjörerna metan och vätgas, vilket i huvudsak orsakar pooler av grafen att forma. Grafenfilmen lämnar ugnen och lindas upp på den andra spolen.

I teorin tillåter denna process att stora ark av grafen kan bildas på relativt kort tid, vilket är avgörande för kommersiella tillämpningar. Forskare var tvungna att finjustera processen för att få grafenet att bildas perfekt, och intressant nog visade sig de ofullkomliga försöken på vägen vara användbara senare. När MIT-teamet försökte skapa porer i grafen började de med att använda syreplasma för att skära ut dem. Eftersom denna process visade sig vara tidskrävande, ville de ha något snabbare och tittade på sina tidigare experiment för lösningar. Genom att sänka temperaturen under grafenens tillväxt fick de porer att synas. Det som visade sig som defekter under utvecklingsprocessen blev ett användbart sätt att skapa porös grafen.

Superledningsförmåga

Inte långt efter forskare vid Cambridge demonstrerade att grafen kan fungera som en supraledare (ett material utan elektrisk resistans) när det paras ihop med praseodym cerium kopparoxid, forskare vid MIT upptäckt en annan häpnadsväckande egenskap: Den kan tydligen fungera ensam som en supraledare, i rätt konfiguration. Forskarna staplade två skivor grafen, men kompenserade dem med en vinkel på 1,1 grader. Enligt en rapport publicerad i Nature, "Fysiker Pablo Jarillo-Herrero vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge och hans team letade inte efter supraledning när de satte upp sina experimentera. Istället undersökte de hur orienteringen som kallas den magiska vinkeln kan påverka grafen."

Vad de upptäckte är att när de körde elektricitet genom den off-kilter grafenstapeln, fungerade den som en supraledare. Denna enkla process att applicera elektricitet gör grafen lättare att studera än en liknande klass av supraledare, kuprater, även om dessa material uppvisar supraledning vid mycket högre temperaturer. De flesta material som uppvisar supraledning gör det bara nära en temperatur på absolut noll. Vissa så kallade "högtemperatursupraledare" kan visa supraledning vid temperaturer runt 133 Kelvin (-140 Celsius), vilket är relativt högt; vätesulfid, under tillräckligt tryck, visar egenskapen vid en mirakulös -70 grader Celsius!

Grafenarrangemanget måste kylas till 1,7 grader över absoluta nollpunkten, men forskarna anser att dess beteende liknar det för kuprater, och så de hoppas att det kommer att bli ett mycket lättare material för att studera okonventionell supraledning, vilket fortfarande är ett område med stor oenighet bland fysiker. Eftersom supraledning vanligtvis bara sker vid så låga temperaturer, används supraledare endast i kostsamma maskiner som MRI-maskiner, men forskare hoppas att en dag hitta en supraledare som fungerar vid rumstemperatur, vilket skulle sänka kostnaderna genom att ta bort behovet av kylning enheter.

I en studie publicerad 2019, visade forskare hur vridande lager av grafen i specifika "magiska" vinklar kan producera supraledande egenskaper vid lägre temperaturer än tidigare.

Myggförsvar

Få varelser är så avskyvärda som myggan, med deras kliande bett och tendens att sprida hemska sjukdomar som malaria. Tack och lov har forskare vid Brown University hittat en möjlig lösning med grafen. Forskningen, publicerades 2019, visar att en grafenfilm på huden inte bara blockerade myggor från att bita utan till och med avskräckte dem från att landa på huden i första hand. En möjlig förklaring är att grafenet hindrade myggorna från att känna lukten av bytesdjur.

Framtiden för grafenforskning

Med tanke på grafenens till synes oändliga lista över styrkor, skulle man förvänta sig att se det överallt. Varför har grafen då inte blivit allmänt adopterad? Som med det mesta handlar det om pengar. Grafen är fortfarande extremt dyrt att producera i stora mängder, vilket begränsar dess användning i alla produkter som kräver massproduktion. Dessutom, när stora ark grafen produceras, finns det en ökad risk för att små sprickor och andra skavanker uppstår i materialet. Oavsett hur otrolig en vetenskaplig upptäckt kan vara, kommer ekonomin alltid att avgöra framgång.

Bortsett från produktionsproblem, bromsar grafenforskningen inte på något sätt. Forskningslaboratorier över hela världen - inklusive University of Manchester, där grafen först upptäcktes - ansöker ständigt om patent på nya metoder för att skapa och använda grafen. Europeiska unionen godkände finansiering för ett flaggskeppsprogram 2013, ett som kommer att finansiera grafenforskning för användning inom elektronik. Samtidigt bedriver stora teknikföretag i Asien forskning om grafen, inklusive Samsung.

Revolutioner sker inte över en natt. Kisel upptäcktes i mitten av 1800-talet, men det tog nästan ett sekel innan kiselhalvledare banade väg för datorernas framväxt. Kan grafen, med sina nästan mytiska egenskaper, vara den resurs som driver nästa era av mänsklighetens historia? Svaret kommer med tiden.

Redaktörens rekommendationer

• De bästa ljusterapilamporna
• Hur länge ska dina apparater hålla?
• De bästa solladdarna för din telefon eller surfplatta
• 17 svarta uppfinnare som förändrade teknikvärlden
• De bästa hälso- och fitnessprylarna