Om du har varit i närheten av en vetenskaplig tidskrift under det senaste decenniet eller så, kommer du att ha stött på någon form av superlativ om grafen – det tvådimensionella undermaterialet som lovar att förvandla allt från datorer till biomedicin.
Det finns mycket hype om grafens applikationer, tack vare en handfull anmärkningsvärda egenskaper. Det är 1 miljon gånger tunnare än ett människohår men 200 gånger starkare än stål. Den är flexibel men kan fungera som en perfekt barriär och är en utmärkt ledare av elektricitet. Sätt ihop allt detta och du har ett material med en mängd potentiellt revolutionerande tillämpningar.
Vad är grafen?
Grafen är kol, men i ett enatoms tjockt bikakenät. Om du går tillbaka till dina gamla kemilektioner kommer du ihåg att material som helt består av kol kan ha drastiskt olika egenskaper, beroende på hur dess atomer är ordnade (olika allotroper). Grafiten i din blyertspenna är till exempel mjuk och mörk jämfört med den hårda och genomskinliga diamanten i din förlovningsring. Mänskligt skapade kolstrukturer är inte annorlunda; den bollformade Buckminsterfullerenen fungerar annorlunda än de lindade arrangemangen av kolnanorör.
Grafen är gjord av ett ark av kolatomer i ett hexagonalt gitter. Av ovanstående är det grafit närmast i form, men medan det materialet är tillverkat av tvådimensionella ark av kol som hålls lager-på-lager av svaga intermolekylära bindningar, är grafen bara ett ark tjockt. Om du kunde skala ett enda, en atom-högt lager kol från grafit, skulle du ha grafen.
De svaga intermolekylära bindningarna i grafit gör att den verkar mjuk och fjällig, men själva kolbindningarna är robusta. Det betyder att en plåt som enbart består av dessa kolbindningar är stark – cirka 200 gånger mer än det starkaste stålet, samtidigt som den är flexibel och transparent.
Grafen har varit teoretiserat under lång tid, och av misstag produceras i små mängder så länge som människor har använt grafitpennor. Dess huvudsakliga isolering och upptäckt är dock fäst vid Andre Geims och Konstantin Novoselovs arbete, 2014 vid University of Manchester. De två forskarna höll enligt uppgift ”fredagskvällsexperiment”, där de skulle testa idéer utanför sina dagjobb. Under en av dessa sessioner använde forskarna tejp för att ta bort tunna lager av kol från en grafitklump. Denna banbrytande forskning ledde så småningom till kommersiell produktion av grafen.
Efter att de vunnit Nobelpriset i fysik 2010 donerade Geim och Novoselov bandautomaten till Nobelmuseet.
Vad kan grafen användas till?
En viktig sak att notera är att forskare utvecklar alla möjliga material baserade på grafen. Detta betyder att det förmodligen är bättre att tänka på ”grafener”, på samma sätt som vi skulle tänka på plast. I huvudsak har tillkomsten av grafen utrymmet att leda till en helt ny kategori av material, inte bara ett nytt material.
När det gäller tillämpningar bedrivs forskning inom så vittgående områden som biomedicin och elektronik till växtskydd och livsmedelsförpackningar. Att kunna modifiera ytegenskaperna hos grafen, till exempel, skulle kunna göra det till ett enastående material för läkemedelstillförsel, medan materialets ledningsförmåga och flexibilitet skulle kunna förebåda en ny generation av pekskärmskretsar eller vikbara bärbara enheter.
Det faktum att grafen kan utgöra en perfekt barriär mot vätskor och gaser betyder att den också kan användas med andra material för att filtrera hur många föreningar och grundämnen som helst – inklusive helium, som är en exceptionellt svår att blockera. Detta har en rad tillämpningar när det kommer till industrin, men kan också visa sig vara mycket användbart för miljöbehov kring vattenfiltrering.
De multifunktionella egenskaperna hos grafen öppnar dörrarna för en enorm mängd sammansatta användningsområden. Även om det har funderats mycket på hur det kan öka redan existerande teknologier, kommer ständiga framsteg på området så småningom att leda till helt nya områden som tidigare skulle ha varit omöjliga. Skulle vi kunna se en helt ny klass av flygteknik växa fram? Hur är det med optiska implantat med förstärkt verklighet? Sett till utseendet är det 2000-talet då vi kommer att ta reda på det.
