Teknik

Grafen — det nya supermaterialet

Linnea Becker

Starkare än stål, lättare än bomull, och med en högre elektrisk ledningsförmåga än koppar. Grafen har många anmärkningsvärda egenskaper, vilka har gett upphov till ett helt spektrum av möjliga användningsområden och fått materialet att hyllas som ett supermaterial.

Grafen är världens tunnaste material. Det består av ett skikt kolatomer som är ordnade i ett sexkantigt mönster där varje kolatom är bunden till tre andra, ungefär som ett hönsnät. Materialet är endast en atom tjockt och kallas därför tvådimensionellt. Det isolerades för första gången år 2004 då forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov rev bort skivor från en bit grafit med vanlig tejp, en metod som kallas exfoliering. Grafit finns i vanlig blyerts och består av lager av grafen som är löst bundna till varandra. Det uppskattas att 1 millimeter grafit består av hela tre miljoner grafenskikt staplade på varandra. Bedriften ledde till att Geim och Novoselov tilldelades Nobelpriset i fysik 2010.

Grafen. Grafen består av ett enda lager kolatomer ordnat i ett sexkantigt mönster. Illustration: Jannik Meyer, Science vol. 324, 15 maj 2009

Grafen är så tätt att det är fullständigt ogenomträngligt för alla ämnen och är därmed ett lovande material för olika typer av ytskikt och barriärer. Samtidigt har det en stor area per viktenhet — det är mycket lätt. Dessa två egenskaper gör att materialet också är lovande för lagring av exempelvis vätgas, inte minst till bränsleceller.

De kraftfulla bindningarna mellan kolatomerna ger grafen en högre mekanisk hållfasthet än något annat material. Grafen är cirka 200 gånger starkare än stål och har en smältpunkt på 3 550 ℃. Tack vare att bindningarna också är flexibla, kan grafen tänjas ut med en femtedel av dess längd utan kvarstående deformationer.

Grafen har tvådimensionell metallbindning, vilket innebär att ett stort antal av dess elektroner är delokaliserade, det vill säga att de inte tillhör någon särskild atom utan istället skapar ett elektronmoln som är gemensamt för hela grafenkristallen. Det är dessa elektroner som ger grafen sin elektriska ledningsförmåga. Grafen leder elektricitet bättre än koppar, vilket har att göra med att materialets tunnhet och perfekta struktur gör att elektronerna kan röra sig så gott som obehindrat och därmed komma upp i så höga hastigheter som en miljon meter per sekund, vilket är markant snabbare än i de flesta andra material och endast 300 gånger långsammare än ljusets hastighet i vakuum.

Dagens elektroniska komponenter är ofta baserade på kisel och ju mindre kretsarna är, desto smidigare, snabbare och mer energisnåla är de. Problemet är att det finns en gräns för hur små man kan göra dessa kretsar innan elektronerna börjar bete sig okontrollerat, och där tror många att grafen, där elektronerna dessutom rör sig 100 gånger snabbare än i kisel, kommer att ersätta kisel och andra halvledare och ge upphov till ny, ultrasnabb elektronik.

Grafen släpper dessutom igenom nästan 98% av allt synligt ljus och är således nästan helt genomskinligt. Detta i kombination med den elektriska ledningsförmågan skulle kunna vara grunden till genomskinliga skärmar, solceller, ljuspaneler och liknande. Grafen kan också bli viktig i framtida lösningar för energilagring. Dess stora yta i förhållande till vikt gör nämligen det möjligt att lagra mycket energi per viktenhet. Andra möjliga tillämpningar är böjbara mobilskärmar och, på lång sikt, helt nya typer av datorer.

Ju högre rörelseenergi en partikel eller kropp har, desto större blir dess massa. Vilomassa är den massa en partikel eller kropp har när den befinner sig i vila. En intressant egenskap hos grafen är att en del av dess elektroner beter sig som om de saknar just vilomassa och endast har energi i form av rörelseenergi, i likhet med ljuspartiklarna fotonerna. Detta gör det möjligt för forskare att studera fenomen som vanligtvis endast uppträder vid extremt höga temperaturer, som vid svarta hål och partikelacceleratorer.

Grafen kan också slås ihop med andra ämnen. Med inblandning av endast 0,01% grafen i plast, kan plasten bli över 30% styvare, med inblandning av 0,05% kan plasten bli upp till 30 ℃ mer värmetålig och med inblandning med 1% grafen blir plasten elektriskt ledande. Möjligheterna är oändliga, och nya lätta och starka kompositer är intressanta för många olika industrier. Man hoppas även kunna använda grafen inom biomedicin, som till artificiella näthinnor, då det samsas väl med biologisk vävnad. Dessutom leder grafen värme bättre än något annat känt material, vilket öppnar upp för ytterligare möjligheter.

Trots att grafen är så lovande inom så många olika områden, har få tillämpningar blivit verklighet. Idag går det att finna grafen i sportartiklar och fordonskarosser där materialet möjliggjort starkare och lättare produkter, men inte så mycket mer. En av anledningarna till att genomslaget ännu inte kommit är att det har visat sig vara svårt att integrera grafen i industrin då grafenflagorna lätt klumpar ihop sig, och på så sätt förlorar sina gynnsamma egenskaper, då grafen produceras i stor skala. Dessutom är det fortfarande dyrt att producera.

Grafen är alltså ett relativt nytt material med många lovande egenskaper, som en mycket hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, en hög mekanisk hållfasthet, transparens och en hög täthet. Tack vare alla dessa egenskaper hoppas forskare att grafen ska kunna användas i allt från ytskikt och barriärer till mobiler och sensorer. Kanske är det inte så underligt att det kallas för ett supermaterial.