Er grafen det nye mirakelmateriale?
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Teknologiens Mediehus kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Er grafen det nye mirakelmateriale?

Grafen er et materiale, der består af kulstofatomer bundet sammen i et lag, der kun er ét atom tykt - og det er blevet kaldt det nye mirakelmateriale.

Om det virkelig er et mirakelmateriale, vender vi tilbage til senere. Det er dog uomtvisteligt, at grafen besidder nogle helt usædvanlige materialeegenskaber, der har betydet, at interessen for grafen er eksploderet, og som har fået forskningsråd verden over til lommerne.

Det gælder ikke mindst i Storbritannien, hvor man betragter grafen som en britisk opfindelse.

Bøjelige skærme til nye smartphones er et af de første områder, hvor grafen sandsynligvis vil finde anvendelse. (Foto: University of Manchester) Illustration: University of Manchester
Til anvendelse inden for trykt elektronik fremstiller det amerikansk firma Vorbeck, som er udsprunget af Princeton University, elektrisk ledende blæk indeholdende grafen. (Foto: Vorbeck) Illustration: Vorbeck

Det skyldes, at grafen er fremstillet og undersøgt første gang af russiskfødte, britiske statsborgere på et britisk universitet i 2004, og at det efterfølgende har vist sig, at materialets historie kan føres tilbage til den britiske kemiker B.C. Brodie (1817-1880).

Brodie udførte i 1859 en række eksperimenter med grafit, hvor han fik dannet meget tynde lag af et materiale, som han kaldte 'graphon', men som i virkeligheden var grafenlag dækket med hydroxyl- eller epoxidgrupper.

I en tale i november 2012 til Royal Society sagde den britiske finansminister George Osborne om forskningen inden for grafen:

»Den internationale konkurrence var intens efter tildelingen af nobelprisen (til Andre Geim og Konstantin Novoselov i 2010, red.), så vi handlede hurtigt ved at investere i nye store forskningsfaciliteter. 50 mio. pund blev afsat til at sikre, at en britisk opfindelse blev videreudviklet i Storbritannien.«

Også i Danmark har grafenforskerne fået store bevillinger.

Det Strategiske Forskningsråd gav i sidste måned 20 mio. kr. til forskning i grafen i et projekt, som ledes af Peter Bøggild fra DTU Nanotech.

Højteknologofonden gav på samme tidspunkt en bevilling på 24 mio. kr. til DTU, Aarhus Universitet, Københavns Universitet og en lang række virksomheder til udvikling af nye produkter baseret på grafen.

Det er store beløb, men de drukner i sammenligning med, at EU inden for kort tid vil udvælge to forskningsområder, der hver vil modtage en bevilling på 1 milliard euro og blive udpeget til såkaldte flagskibsprojekter.

Et konsortium af europæiske grafenforskere er med i opløbet sammen med fem andre forskningsområder.

Et beskæftigelsesprojekt

Interessen for det nye materiale, som kom til verden via et mislykket beskæftigelsesprojekt for en ung studerende, er voldsom.

Kort fortalt er historien denne:

Den russiskfødte forsker Andre Geim, som i en kort periode i 1990'erne var ansat ved Københavns Universitet, var i 2001 tiltrådt som professor ved University of Manchester. Her fik han året efter Da Jiang som sin første ph.d.-studerende.

Da Jiang skulle bruge sin første tid på at lære engelsk, så han fik en relativt simpel opgave at arbejde med i begyndelsen: Forsøg at lave grafitlag så tynde som muligt.

Andre Geim gav Da Jiang en lille prøve af pyrolytisk grafit med en højde på flere millimeter og en diameter på et par centimeter.

Den nye ph.d.-studerende polerede og polerede, og nogle få måneder senere kunne han fremvise en tynd skive i bunden af en petriskål.

Andre Geim undersøgte skiven i et optisk mikroskop og vurderede, at den havde en tykkelse på cirka 10 mikrometer. Det måtte kunne gøres bedre, mente han. Men Da Jiang måtte oplyse, at han havde brugt hele den oprindelige prøve til at opnå denne ene tynde skive.

Den unge ph.d.-studerende var blevet sat på en svær opgave - og sværere end tiltænkt. Andre Geim havde ved en fejl udleveret en skive high density grafit i stedet for en skive HOPG (highly oriented pyrolytisk grafit), som er meget lettere at bearbejde.

Ukraineren Oleg Shklyarevskii, som på samme tidspunkt arbejdede med scanning tunnel microscope (STM) i et nærtliggende laboratorium, hørte Andre Geim fortælle historien om poleringsprojektet.

Inden for STM bruges HOPG som et referencemateriale, og man opnår en ren overflade ved at fjerne toplaget på grafitmaterialet med et stykke tape.

Oleg Shklyarevskii tog et stykke tape op af affaldsspanden, som Andre Geim på ny undersøgte og kunne konstatere indeholdt lag, som var meget tyndere end Da Jiangs polerede skive.

Afvist af Nature to gange

Det blev startskuddet til at fremstille enkeltatomlag af kulstofatomer ved afrivning af grafitlag med tape.

I slutningen af 2003 var Andre Geim og Konstantin Novoselov, som havde fortsat Da Jiangs arbejde, klar til at publicere, at de havde fremstillet og undersøgt et todimensionalt kulstofmateriale.

De indsendte artiklen til Nature, som afviste den. Geim og Novoselov omskrev artiklen og indsendte den igen til Nature, som nok en gang afviste den.

En af bedømmerne skrev, at artiklen 'ikke udgør et tilstrækkeligt videnskabeligt fremskridt'. I stedet blev artiklen 'Electric field effect in atomically thin carbon films' indsendt til Science, hvor den blev offentliggjort i oktober 2004. Det satte gang i tilsvarende forskning andre steder, som hurtigt kunne bekræfte målingerne i Manchester.

I 2010 modtog Geim og Novoselov Nobelprisen i fysik 'for banebrydende eksperimenter vedrørende det todimensionale materiale grafen'.

I sin nobelprisforelæsning berettede Andre Geim, at Da Jiangs opgave med at lave tynde grafitskiver ikke var helt uden bagtanke fra Geims side.

Moderne computerchips indeholder flere milliarder felt-effekt-transistorer, hvor man åbner og lukker for passage af elektroner gennem en kanal ved hjælp af et elektrisk felt. I takt med, at siliciumbaserede komponenter bliver mindre og mindre, vil man på et tidspunkt løbe ind i fundamentale fysiske begrænsninger. Det er derfor interessant at studere elektriske felteffekter i andre materialer end silicium.

Kulstofnanorør var et nyt og spændende forskningsområde i årene omkring år 2000. Geim mente dog, han var for sent ude til at kunne bidrage hertil. Han søgte derfor et alternativ til nanorørene.

Og endelig havde nye, kontroversielle artikler i 2000 og 2002 vist tegn på ferromagnetisme og superledende effekter i grafit ved stuetemperatur. Grafit var derfor et materiale, hvis elektroniske egenskaber burde undersøges nærmere.

Geim mente derfor, at det kunne være en idé at lade en ny ph.d.-stude- rende bruge et par måneder på at arbejde med tynde grafitlag.

Det kunne muligvis føre til nogle spændende resultater omkring den elektriske felt-effekt eller til bekræftelse eller afvisning af kontroverserne om grafits elektroniske egenskaber.

Geim var ikke alene med disse tanker. På samme tidspunkt var flere forskere i USA allerede i gang med at forsøge at fremstille grafen, heriblandt Walt de Heer fra Georgia Institute of Technology i Atlanta.

Da det blev offentliggjort, at Geim og Novoselov ville modtage nobelprisen, sendte han et vredt brev til nobelkomiteen og udtalte offentligt, at komiteen ikke havde gjort sit hjemmearbejde ordentligt.

Også Rodney Ruoff, som i dag er tilknyttet University of Texas i Austin, og Philip Kim fra Columbia University i New York var langt fremme med deres forskning i grafen, mens Da Jiang polerede og polerede.

Det var sådan set ikke underligt, at eksperimentalfysikere søgte at fremstille grafen, for de teoretiske studier kan spores tilbage til 1947, og i 1994 havde International Union of Pure and Applied Chemistry indført betegnelsen 'graphene' for individuelle kulstoflag i grafit.

Selv om der er uenighed mellem forskerne om, hvem der er grafens sande fædre, så overhalede Geim og Novoselov dog med tapeafrivningsmetoden så at sige de andre indenom.

Strider mod sund fornuft

En af de mest overraskende ting ved grafen er, at det i det hele taget eksisterer. Erfaringsmæssigt er det praktisk talt umuligt at fremstille monolag.

Termodynamiske beregninger viser, at tredimensionale strukturer er langt mere stabile end todimensionale. Todimensionale krystaller kan ikke dyrkes uden et underlag, og monolag er generelt meget reaktive.

Grafen overvinder alle disse forhindringer og er enestående ved, at det kan eksistere frit hængende.

Men hvis det ikke var for grafens usædvanlige elektroniske egenskaber, så var interessen aldrig blevet så stor, som den er i dag.

Stærkt, gennemsigtigt og ledende

I den første artikel kunne Geim og Novoselov vise, at materialet havde en elektrisk felt-effekt, der muliggjorde, at man kunne ændre modstanden i materialet med en faktor 100.

Det var tusinde gange bedre end det, som tidligere var rapporteret i metalliske systemer. Til trods for, at grafenlaget var fuldstændigt ubeskyttet, kunne elektroner bevæge sig i materialet.

Det strider mod hovedreglen om, at overfladefysik kræver vakuumfaciliteter, og selv under disse forhold bliver tyndfilm generelt af ringere og ringere kvalitet, når tykkelsen mindskes.

Grafen besidder desuden en høj mobilitet for ladningsbærere, som er flere hundrede gange højere end i silicium. Det gør det velegnet til højhastighedselektronik.

Grafen har dog også en afgørende ulempe: Det mangler et båndgab.

Halvledermaterialer er karakteriseret ved, at ikke alle energier er tilladte for elektronerne. Elektroner kan befinde sig i et såkaldt valensbånd med lav energi eller et ledningsbånd med højere energi.

Forskellen mellem energien i toppen af valensbåndet og i bunden af ledningsbåndet kaldes båndgabet.

Båndgabet betyder, at elektroner ikke uden videre kan springe fra valensbåndet til ledningsbåndet, og det gør det muligt at slukke og tænde for strømmen i en transistor med en elektrisk felt-effekt.

I grafen har toppen af valensbåndet og bunden af ledningsbåndet derimod samme energi; der er ikke noget gab. Det betyder, at strømmen ikke kan slukkes helt i grafen-transistorer, og derved ryger hele ideen med at lave en sådan.

På en eller anden måde skal båndgabet åbnes, hvis grafen skal bruges til transistorer, og det arbejder forskerne derfor intenst med.

Grafen har også interessante optiske og mekaniske egenskaber.

Materialet er transparent. Der findes kun meget få materialer, der på samme tid er elektrisk ledende og transparente. Det gør grafen interessant til bl.a. skærmteknologi og solceller.

Grafen er 200 gange stærkere end stål. Det kan udnyttes til at blande grafen i polymermaterialer, som derved gøres stærkere.

Det er derfor ikke overraskende, at grafen har vakt betydelig interesse, men om det er et mirakelmateriale, kommer naturligvis an på, hvad man forstår ved et sådant.

Disruptive teknologier

I 1995 introducerede Clayton Christensen fra Harvard Business School begrebet disruptive teknologier i modsætning til opretholdende (sustaining) teknologier.

Disruptive teknologier er kendetegnet ved, at de skaber nye markeder og nye anvendelser.

'Vil grafen blive den næste disruptive teknologi?' Sådan indleder Konstantin Novoselov en oversigtartikel om grafen i Nature i oktober 2012, som er skrevet i samarbejde med bl.a. Texas Instruments, AstraZeneca, BASF og Samsung.

Forfatterne mener, at grafens mange usædvanlige egenskaber kan danne basis herfor, og skriver: 'Grafens mange overlegne egenskaber retfærdiggør dets tilnavn som et 'mirakelmateriale''.

De peger dog også på, at de applikationer, som kan udnytte den laveste kvalitet og det billigste grafen, vil komme først, det kan f.eks. være inden for skærmteknologi.

Det kan derimod tage adskillige år at udvikle produkter, der kræver grafen af den højeste kvalitet.

Når det gælder anvendelser til høj-frekvenstransistorer og generelle logiske kredse, så vil grafen tidligst kunne udkonkurrere siliciumteknologi efter 2020. Og det kræver endda nye forskningsresultater, hvis det i det hele taget skal blive muligt.

Den britiske videnskabsskribent Philip Ball tog mirakelnavnet op i en kommentar i The Guardian lige før nytår, hvor han sammenlignede grafen med højtemperatur superledere, der blev belønnet med en nobelpris i 1987, og kulstofnanorør, der blev opdaget i 1991.

Ingen af disse materialer er slået igennem i stor stil, men har fundet anvendelse i begrænsede nicheapplikationer.

Det samme vil ske for grafen, spår Philip Ball. 'Mirakelmaterialer? De eksisterer ikke', bemærker han.

Grafenforskerne søger ihærdigt at bevise det modsatte.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Har den danske fokus på grafen kastet nogle patenter af sig. ?

En tidligere artikel omtaler USA`s, KINA´s m.m. patenter Hvordan ligger DK. ?

Er der en "dansk netværks gruppe" for området ?

Går der 2 år før vi har en "stål bjælke" af materialet ?

  • 0
  • 0

>Har den danske fokus på grafen kastet nogle patenter af sig. ?

Ja, jeg kender til mindst et, og der er sikkert mange andre.

>Er der en "dansk netværks gruppe" for området ?

Ja, der findet et Centers of Excellence, under Danmarks Grundforskningsfond, ledet af Antti Pekka Jauho. Deres fokus er åbne båndgabet som artiklen omtaler. Det gøres ved at fabrikere grafen med huller i.

>Går der 2 år før vi har en "stål bjælke" af materialet ?

Nej. Det er der vist, heller ingen der har lovet!

Mvh
Anders

  • 0
  • 0

At man er overrasket over grafen kan vel kun betyde at vi mangler at forstå den grundliggende fysik. Så istedet for at hidse sig op over grafen skulle man nok søge den underliggende forståelse.
Jeg gætter på at det vil give anledning til at se bedre løsninger end det specifikke grafen.

  • 0
  • 0

Hvis man ser graphen som et fiskenet - så har det vel den mindste maskestørrelse, som overhovedet er fysisk muligt - ikke? Eller hvad?

Man kan altså bruge det til at fange meget små 'atom-fisk', som ikke er størrer end ét atom..?

Bruger lige min fantasi for at prøve at kunne forstå størrelsesforholdet :)

  • 0
  • 0

Altrå lige som grafit - som vel bare er lag på lag på lag på lag --- af små flager af grafen. Er det rigtigt forstået? Hvis ja: Hvem er det så lige, der har opfundet grafen?

  • 0
  • 0

Der er meget stor forskel på have enkeltlag og næsten enkelt lag af kulstof. Der er faktisk stor forskel på at have enkeltlag og dobbeltlag.

Derfor har grafit ikke samme egenskaber som grafen.

  • 0
  • 0

Kære debattører

Jeg har fjernet en mængde indlæg, der var uden for emnet samt en del personangreb. Desuden har jeg fjernet indlæg, der svarede på disse. Jeg beklager eventuelle huller i debatten.

Se evt. Ingeniørens debatregler: ing.dk/vilkaar

Med venlig hilsen
Caroline Persson, debatredaktionen, ing.dk

  • 0
  • 0

http://vimeo.com/51873011
via http://io9.com/5987086/meet-the-scientific...

Abstract: http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n2...

Meget interessant at en grafen-skive kan produceres oven på en DVD skive med et DVD drevs laser på 1/2 time.
Bedre endnu, så har de allerede fundet på en bedre måde at lave det samme endnu hurtigere.

Det rigtig interessante er at de med kun 3 sekunder opladningstid kan gemme så meget elektricitet at den kan få en rød lysdiode til at lyse i hele 180 sekunder (5 minutter).

Det kunne være interessant at bruge først i konsum elektronik, og så senere også i el-biler, hvor man med en super-lader-"tankstation" kan lade strøm på bilen på et par minutter.


Jeg synes at det ser ud til at grafen ser ud til at være vores nye vidunder materiale med rigtig mange interessante egenskaber.

  • 0
  • 0