Hvad er tyndere end et hår, men stærkere end stål?

Forestil dig et materiale, der er stærkere end stål, mere gennemsigtigt end glas og tyndere end et menneskehår. Hint: det er ikke kryptonit. Aida Rafat, en assisterende ingeniør hos ConocoPhillips, som vandt finalen i Qatar i vores internationale konkurrence om videnskabskommunikation FameLab, forklarer det.

Hvad er grafen?

Det er det mest ekstraordinære materiale, som i teorien burde være science fiction. Det har utallige anvendelsesmuligheder og fænomenale egenskaber, og det har fået forskerne til at blive meget begejstrede.

Dette todimensionelle vidunderstof kommer fra en simpel kilde. Grafen er den grundlæggende byggesten i grafit, en grundlæggende form for kulstof og et rigeligt forekommende mineral. Grafit består af tusindvis af lag af grafen, der er stablet oven på hinanden. Vi kender det som blyantblyant. Så teknisk set har enhver person, der nogensinde har trukket en streg med en blyant, lavet grafen.

Hvordan opdagede forskerne det?

På grund af et uheld. Og det hele var takket være klæbebånd. Tilbage i 2004 arbejdede to forskere fra University of Manchester, Andre Geim og Kostantin Novoselov, i et laboratorium. De var ved at undersøge grafitens elektriske egenskaber og besluttede at bruge tape for at se, om de kunne pille tyndere flager af. De fortsatte med at pille flere og flere lag af den oprindelige flage af grafit, indtil det gik op for dem, at de var endt med et lag, der kun var et enkelt atom tykt. Det, de havde skabt, var grafen, og de vandt senere Nobelprisen i fysik i 2010 for deres opdagelse.

Hvad gør grafen så specielt?

Grafen har fantastiske og unikke mekaniske, elektriske, termiske og optiske egenskaber.

For det første er det stærkt. Folk plejede at tro, at todimensionale materialer bare ville falde fra hinanden. Men i virkeligheden er grafen det stærkeste materiale, der nogensinde er blevet testet: ca. 200 gange stærkere end stål. En hængekøje lavet af en kvadratmeter grafen ville kunne bære vægten af en tyk fire-kilos kat, men ville kun veje lige så meget som et af kattens knurhår på 0,77 mg (ca. 100.000 gange lettere end en kvadratmeter papir).

For det andet bevarer grafen trods sin enorme styrke fleksibilitet og elasticitet. Du kan bøje det, og det er gennemsigtigt: begge meget vigtige egenskaber inden for elektronik, da det betyder, at du kan bruge det til at lave bøjelige, gennemsigtige berøringsskærme til computere og mobile enheder.

For det tredje leder det elektricitet på glimrende vis. Faktisk bevæger elektroner sig hurtigere gennem grafen end gennem noget andet testet materiale. Forskere kan “dope” grafen ved kemisk at tilføje eller fjerne elektroner til det. Jo flere elektroner der tilsættes, jo mere strøm kan det producere. ‘Dopet’ grafen kan være endnu bedre til at lede elektricitet end kobber.

For det fjerde er grafen superimpermeabelt, så selv de mindste molekyler som helium kan ikke trænge ind i det. Dette kunne være en meget vigtig egenskab, da det ville give os mulighed for at bruge grafen til at adskille væske og gas.

Hvad er anderledes ved grafenets struktur?

Graphen har en meget unik struktur, som et honeycomb-gitter af kulstofatomer. Det usædvanlige er, hvordan disse atomer interagerer med hinanden.

Et kulstofatom har seks elektroner, hvoraf de fire sidder i dets yderste skal, klar til at binde sig til andre atomer for at danne molekyler. Men i grafen er det kun tre af disse elektroner, der binder sig tæt til naboatomerne, hvilket skaber en ekstremt stærk og tæt binding. Den fjerde elektron forbliver ikke bundet. Disse ikke-bundne elektroner opfører sig meget anderledes end normalt. De opfører sig som partikler af lys, eller fotoner, og bevæger sig faktisk med lysets hastighed over grafenpladen, hvilket giver grafen dets fænomenale elektriske egenskaber.

Hvordan ser grafen ud?

Vi kan ikke se grafen med det blotte øje. Det er det tyndeste materiale, der nogensinde er opdaget. Et ark af grafen er 1.000 gange tyndere end et menneskehår. Faktisk kunne forskerne, der opdagede det, kun se grafenflagerne, fordi de havde placeret dem på en wafer af siliciumoxid. Hvis de havde brugt et andet materiale, havde de måske ikke engang set det.

Er grafen allerede brugt til noget?

Mange store virksomheder, såsom IBM og Samsung, undersøger grafen nøje. En af de største udfordringer, som elektronikindustrien står over for lige nu, er, at vi er ved at rykke grænserne for siliciumtransistorer (som forstærker og leder elektriske signaler). Med andre ord, hvordan kan vi lave mindre og mindre siliciumtransistorer, så virksomhederne kan producere tyndere, men mere kraftfulde smartphones, tablets og computere?

Problemet er, at vi allerede har nået grænsen for, hvad vi kan gøre med siliciumtransistorer. Vi kan simpelthen ikke gøre dem mindre. Men med grafen er der et stort potentiale for at gå længere og endda lave gennemsigtige berøringsskærme og elektronik.

Det er ikke kun computere. En af de aktuelle kommercielle anvendelser, hvor grafen indgår, er en tennisraket fra et firma kaldet HEAD. Racketten ser ud til at være meget kraftigere og meget lettere – to vigtige ting at have i en ideel tennisraket!

Hvad kan grafen ellers bruges til i fremtiden?

Transportindustrien kunne blande grafen med et eksisterende kompositmateriale for at lave stærkere og lettere fly og biler. På grund af sin uigennemtrængelighed ville grafen også være et fremragende overfladebehandlingsmateriale til at modstå korrosion.

Sæt et lag grafen på plastik, og du har en elektrisk ledende plastik. Eller et elektronikfirma kunne drage fordel af graphenes fleksibilitet og bruge det til at fremstille en tablet, som du kan folde som en avis, eller en lille smartphone, som du kan klistre på din t-shirt.

Graphene kan forbedre levetiden for et traditionelt litiumbatteri dramatisk og reducere opladningstiden betydeligt. Det kan bruges til at lagre solenergi eller til at lave superkondensatorer (kæmpe batterier, der bruges i elbiler og elevatorer).

Forskere taler også om at bruge grafenfiltre til afsaltning, til at omdanne havvand til drikkevand og som et system til afgivelse af lægemidler til kræftbehandling.

Er grafen patenteret?

Grafenpatentering er et af de mest omdiskuterede emner inden for videnskaben. Graphen i sig selv kan ikke patenteres, da det er afledt af kulstof – et naturligt forekommende materiale. Desuden har videnskabsfolk kendt til grafen siden det 20. århundrede, de vidste bare ikke, hvordan de skulle isolere det.

Der er dog mange organisationer, der har patenteret grafenanordninger og processer til fremstilling af grafen. Jeg ved ikke, om de to videnskabsmænd, der opdagede grafen, blev rige som følge heraf. Men de blev ekstremt berømte og vandt Nobelprisen. Deres videnskabelige artikel om den banebrydende opdagelse af grafen blev til sidst offentliggjort i Science, og selve artiklen blev opført på listen over de 100 mest citerede artikler gennem tiderne. Det er en præstation, som enhver videnskabelig forsker drømmer om.

Aida Rafat er assisterende ingeniør hos ConocoPhillips. Du kan se hende konkurrere i den internationale FameLab-finale den 8.-9. juni 2016.