Mikä on hiusta ohuempaa, mutta terästä vahvempaa?

Kuvittele materiaali, joka on terästä vahvempaa, lasia läpinäkyvämpää ja ihmisen hiusta ohuempaa. Vihje: se ei ole kryptoniittia. Aida Rafat, ConocoPhillipsin apulaisinsinööri, joka voitti kansainvälisen tiedeviestintäkilpailumme FameLabin Qatar-finaalin, kertoo.

Mitä grafeeni on?

Se on mitä erikoisin materiaali, jonka pitäisi teoriassa olla scifiä. Sillä on lukemattomia sovelluksia ja ilmiömäisiä ominaisuuksia, ja se on saanut tutkijat innostumaan.

Tämä kaksiulotteinen ihmeaine on peräisin yksinkertaisesta lähteestä. Grafeeni on grafiitin, hiilen perusmuodon ja runsaana esiintyvän mineraalin, perusrakennusaine. Grafiitti koostuu tuhansista grafeenikerroksista, jotka on pinottu päällekkäin. Meille se on tuttua lyijykynän lyijynä. Teknisesti jokainen ihminen, joka on koskaan piirtänyt viivaa kynällä, on siis tehnyt grafeenia.

Miten tutkijat löysivät sen?

Sattumalta. Ja kaikki tapahtui teipin ansiosta. Vuonna 2004 kaksi Manchesterin yliopiston tutkijaa, Andre Geim ja Kostantin Novoselov, työskentelivät laboratoriossa. He tutkivat grafiitin sähköisiä ominaisuuksia ja päättivät käyttää teippiä nähdäkseen, voisivatko he irrottaa ohuempia hiutaleita. He jatkoivat yhä useamman ja useamman kerroksen irrottamista alkuperäisestä halkaistusta grafiittihiutaleesta, kunnes he huomasivat, että he olivat päätyneet yhden atomin paksuiseen kerrokseen. He olivat luoneet grafeenin, ja myöhemmin he saivat löydöstään Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2010.

Mikä tekee grafeenista niin erityisen?

Grafeenilla on hämmästyttäviä ja ainutlaatuisia mekaanisia, sähköisiä, termisiä ja optisia ominaisuuksia.

Ensinnäkin se on vahva. Ennen ajateltiin, että kaksiulotteiset materiaalit vain hajoavat. Mutta itse asiassa grafeeni on vahvin materiaali, jota on koskaan testattu: noin 200 kertaa vahvempi kuin teräs. Yhdestä neliömetristä grafeenia tehty riippumatto kestäisi pullean neljän kilon kissan painon, mutta painaisi vain yhtä paljon kuin yksi kissan viiksistä, 0,77 milligrammaa (noin 100 000 kertaa kevyempi kuin yksi neliömetri paperia).

Toisekseen, valtavasta lujuudestaan huolimatta grafeeni säilyttää joustavuutensa ja kimmoisuutensa. Sitä voi taivuttaa, ja se on läpinäkyvää: molemmat erittäin tärkeitä ominaisuuksia elektroniikassa, sillä se tarkoittaa, että siitä voisi tehdä taivutettavia, läpinäkyviä kosketusnäyttöjä tietokoneisiin ja mobiililaitteisiin.

Kolmanneksi, se johtaa sähköä loistavasti. Itse asiassa elektronit liikkuvat grafeenin läpi nopeammin kuin minkään muun testatun materiaalin läpi. Tutkijat voivat ”värjätä” grafeenia lisäämällä tai poistamalla siihen kemiallisesti elektroneja. Mitä enemmän elektroneja siihen lisätään, sitä enemmän virtaa se voi tuottaa. ”Dopattu” grafeeni voisi johtaa sähköä jopa paremmin kuin kupari.

Neljänneksi grafeeni on erittäin läpäisemätöntä, joten pienimmätkään molekyylit, kuten helium, eivät pääse sen sisään. Tämä voisi olla erittäin tärkeä ominaisuus, sillä sen avulla grafeenia voitaisiin käyttää nesteen ja kaasun erottamiseen toisistaan.

Mitä erilaista grafeenin rakenteessa on?

Grafeenilla on hyvin ainutlaatuinen rakenne, joka muistuttaa hiiliatomien hunajakennoverkkoa. Epätavallista on se, miten nämä atomit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Hiiliatomilla on kuusi elektronia, joista neljä sijaitsee sen ulkokuorella, valmiina sitoutumaan muiden atomien kanssa muodostaakseen molekyylejä. Mutta grafeenissa vain kolme näistä elektroneista sitoutuu tiukasti viereisiin atomeihin, mikä luo äärimmäisen vahvan ja tiiviin sidoksen. Neljäs elektroni jää sitoutumatta. Nämä sitoutumattomat elektronit käyttäytyvät hyvin eri tavalla kuin tavallisesti. Ne käyttäytyvät kuin valohiukkaset eli fotonit, ja ne itse asiassa liikkuvat valon nopeudella grafeenilevyn yläpuolella, mikä antaa grafeenille sen ilmiömäiset sähköiset ominaisuudet.

Miltä grafeeni näyttää?

Me emme näe grafeenia paljain silmin. Se on ohuin koskaan löydetty materiaali. Grafeenilevy on 1 000 kertaa ohuempi kuin ihmisen hius. Itse asiassa sen löytäneet tutkijat pystyivät näkemään grafeenihiutaleet vain siksi, että he olivat asettaneet ne piioksidikiekolle. Jos he olisivat käyttäneet jotain muuta materiaalia, he eivät ehkä olisi edes nähneet sitä.

Käytetäänkö grafeenia jo mihinkään?

Monet suuret yritykset, kuten IBM ja Samsung, tutkivat tiiviisti grafeenia. Yksi elektroniikkateollisuuden suurimmista haasteista tällä hetkellä on se, että olemme ylittämässä piitransistorien (jotka vahvistavat ja johtavat sähköisiä signaaleja) rajat. Toisin sanoen, miten voimme tehdä yhä pienempiä piitransistoreja, jotta yritykset voivat valmistaa ohuempia mutta samalla tehokkaampia älypuhelimia, tabletteja ja tietokoneita?

Ongelma on, että olemme jo saavuttaneet sen rajan, mitä voimme tehdä piitransistoreilla. Emme vain voi tehdä niitä enää pienemmiksi. Grafeenin avulla on kuitenkin suuri potentiaali mennä pidemmälle ja jopa tehdä läpinäkyviä kosketusnäyttöjä ja elektroniikkaa.

Eikä kyse ole vain tietokoneista. Yksi nykyisistä kaupallisista sovelluksista, joissa on käytetty grafeenia, on HEAD-nimisen yrityksen tennismaila. Maila näyttää olevan paljon tehokkaampi ja paljon kevyempi – kaksi olennaista asiaa, joita ihanteellisessa tennismailassa pitäisi olla!

Mihin muuhun grafeenia voitaisiin käyttää tulevaisuudessa?

Liikenneteollisuudessa grafeenia voitaisiin sekoittaa jo olemassa olevaan komposiittimateriaaliin vahvempien ja kevyempien lentokoneiden ja autojen valmistamiseksi. Läpäisemättömyytensä vuoksi grafeeni olisi myös erinomainen pinnoitemateriaali korroosion vastustamiseksi.

Pane grafeenikerros muovin päälle, niin saat sähköä johtavan muovin. Tai elektroniikkayhtiö voisi hyödyntää grafeenin joustavuutta ja valmistaa sen avulla tabletin, jonka voisi taittaa kuin sanomalehden, tai pienen älypuhelimen, jonka voisi kiinnittää t-paitaan.

Grafeeni voi parantaa huomattavasti perinteisen litiumpariston käyttöikää, jolloin latausaika lyhenee merkittävästi. Sitä voidaan käyttää aurinkoenergian varastointiin tai superkondensaattoreiden (sähköautoissa ja hisseissä käytettävät jättimäiset akut) valmistamiseen.

Tutkijat puhuvat myös grafeenisuodattimien käyttämisestä suolanpoistossa, meriveden muuttamisessa juomavedeksi ja lääkkeiden annostelujärjestelmänä syövän hoidossa.

Patentoitavatko grafeenit?

Grafeenin patentoiminen on yksi tieteen kiihkeimmin keskustelua herättäneistä aiheista. Grafeenia itsessään ei voi patentoida, koska se on peräisin hiilestä – luonnossa esiintyvästä materiaalista. Lisäksi tiedemiehet ovat tienneet grafeenista jo 1900-luvulta lähtien, he eivät vain osanneet eristää sitä.

Monet organisaatiot ovat kuitenkin patentoineet grafeenilaitteita ja prosesseja grafeenin tuottamiseksi. En tiedä, rikastuivatko kaksi grafeenin löytänyttä tiedemiestä tämän seurauksena. Mutta heistä tuli äärimmäisen kuuluisia ja he saivat Nobel-palkinnon. Heidän tieteellinen artikkelinsa grafeenin uraauurtavasta löydöstä julkaistiin lopulta Science-tiedelehdessä, ja itse artikkeli oli kaikkien aikojen sadan eniten siteeratun artikkelin joukossa. Tämä on saavutus, josta jokainen tieteellinen tutkija unelmoi.

Aida Rafat on apulaisinsinööri ConocoPhillipsillä. Voit seurata, miten hän kilpailee kansainvälisessä FameLab-finaalissa 8.-9. kesäkuuta 2016.