Vad är tunnare än ett hårstrå men starkare än stål?

Föreställ dig ett material som är starkare än stål, mer genomskinligt än glas och tunnare än ett människohår. Tips: det är inte kryptonit. Aida Rafat, en biträdande ingenjör på ConocoPhillips som vann finalen i Qatar i vår internationella vetenskapskommunikationstävling FameLab, förklarar.

Vad är grafen?

Det är det mest extraordinära materialet som i teorin borde vara science fiction. Det har otaliga tillämpningar och fenomenala egenskaper och har fått forskarna att bli mycket entusiastiska.

Detta tvådimensionella mirakelämne kommer från en enkel källa. Grafen är den grundläggande byggstenen i grafit, en grundläggande form av kol och ett rikligt förekommande mineral. Grafit består av tusentals lager av grafen som är staplade på varandra. Vi är bekanta med det som blyerts. Så tekniskt sett har varje person som någonsin dragit ett streck med en penna tillverkat grafen.

Hur upptäckte forskarna det?

Vid en slump. Och det var tack vare tejp. År 2004 arbetade två forskare från University of Manchester, Andre Geim och Kostantin Novoselov, i labbet. De undersökte grafitens elektriska egenskaper och bestämde sig för att använda tejp för att se om de kunde skala av tunnare flingor. De fortsatte att skala av fler och fler skikt från den ursprungliga, kluvna grafitflingan, tills de insåg att de hade fått ett skikt som var en enda atom tjockt. Det de hade skapat var grafen, och de fick senare Nobelpriset i fysik 2010 för sin upptäckt.

Vad gör grafen så speciellt?

Grafen har fantastiska och unika mekaniska, elektriska, termiska och optiska egenskaper.

För det första är det starkt. Folk brukade tro att tvådimensionella material bara skulle falla sönder. Men i själva verket är grafen det starkaste material som någonsin har testats: ungefär 200 gånger starkare än stål. En hängmatta gjord av en kvadratmeter grafen skulle kunna bära vikten av en tjock fyrakilos katt, men skulle bara väga lika mycket som ett av kattens morrhår, 0,77 mg (cirka 100 000 gånger lättare än en kvadratmeter papper).

För det andra behåller grafen, trots sin enorma styrka, sin flexibilitet och elasticitet. Du kan böja det och det är genomskinligt: båda mycket viktiga egenskaper inom elektronik, eftersom det innebär att du skulle kunna använda det för att göra böjbara, genomskinliga pekskärmar för datorer och mobila enheter.

För det tredje leder det elektricitet på ett lysande sätt. Faktum är att elektroner rör sig snabbare genom grafen än genom något annat testat material. Forskare kan ”dopa” grafen genom att kemiskt lägga till eller ta bort elektroner till grafen. Ju fler elektroner som läggs till, desto mer ström kan den producera. ”Dopad” grafen kan vara ännu bättre på att leda elektricitet än koppar.

För det fjärde är grafen superimpermeabelt, så inte ens de minsta molekylerna som helium kan ta sig in i det. Detta skulle kunna vara en mycket viktig egenskap, eftersom det skulle göra det möjligt för oss att använda grafen för att separera vätska och gas.

Vad är annorlunda med grafenets struktur?

Grafen har en mycket unik struktur, som ett honungskaksgaller av kolatomer. Det som är ovanligt är hur dessa atomer interagerar med varandra.

En kolatom har sex elektroner, varav fyra sitter i det yttre skalet, redo att binda med andra atomer för att bilda molekyler. Men i grafen är det bara tre av dessa elektroner som binder sig tätt till grannatomerna, vilket skapar en extremt stark och tät bindning. Den fjärde elektronen förblir obunden. Dessa obundna elektroner beter sig mycket annorlunda än vanligt. De beter sig som ljuspartiklar, eller fotoner, och rör sig faktiskt med ljusets hastighet över grafenplattan, vilket ger grafen dess fenomenala elektriska egenskaper.

Hur ser grafen ut?

Vi kan inte se grafen med blotta ögat. Det är det tunnaste material som någonsin har upptäckts. Ett ark av grafen är 1 000 gånger tunnare än ett människohår. Faktum är att forskarna som upptäckte det bara kunde se grafenflingorna eftersom de hade placerat dem på en skiva av kiseloxid. Om de hade använt ett annat material hade de kanske inte ens sett det.

Har grafen redan använts till något?

Många stora företag, som IBM och Samsung, undersöker grafen noga. En av de största utmaningarna för elektronikindustrin just nu är att vi tänjer på gränserna för kiseltransistorer (som förstärker och leder elektriska signaler). Med andra ord, hur kan vi göra mindre och mindre kiseltransistorer, så att företagen kan tillverka tunnare men ändå kraftfullare smarta telefoner, surfplattor och datorer?

Problemet är att vi redan har nått gränsen för vad vi kan göra med kiseltransistorer. Vi kan helt enkelt inte göra dem mindre. Men med grafen finns det stora möjligheter att gå längre och till och med göra genomskinliga pekskärmar och elektronik.

Det är inte bara datorer. En av de aktuella kommersiella tillämpningarna där grafen ingår är en tennisracket från ett företag som heter HEAD. Racketen verkar vara mycket kraftfullare och mycket lättare – två viktiga saker att ha i en idealisk tennisracket!

Vad mer kan grafen användas till i framtiden?

Transportindustrin skulle kunna blanda grafen med ett befintligt kompositmaterial för att göra starkare och lättare flygplan och bilar. På grund av sin ogenomtränglighet skulle grafen också vara ett utmärkt beläggningsmaterial för att motstå korrosion.

Genom att lägga ett lager grafen på plast får man en elektriskt ledande plast. Eller så skulle ett elektronikföretag kunna dra nytta av grafenets flexibilitet och använda det för att tillverka en surfplatta som du kan vika ihop som en tidning, eller en liten smart telefon som du kan klistra fast på din t-shirt.

Grafen kan dramatiskt förbättra livslängden för ett traditionellt litiumbatteri och krympa laddningstiden avsevärt. Det kan användas för att lagra solenergi eller för att göra superkondensatorer (jättebatterier som används i elbilar och liftar).

Forskare talar också om att använda grafenfilter för avsaltning, för att förvandla havsvatten till dricksvatten och som ett system för läkemedelstillförsel för cancerbehandling.

Är grafen patenterat?

Patentering av grafen är en av de mest hett debatterade frågorna inom vetenskapen. Grafen i sig kan inte patenteras, eftersom det härrör från kol – ett naturligt förekommande material. Dessutom har vetenskapsmännen känt till grafen sedan 1900-talet, de visste bara inte hur de skulle isolera det.

Mellertid har många organisationer patenterat grafenanordningar och processer för att framställa grafen. Jag vet inte om de två forskare som upptäckte grafen blev rika på grund av detta. Men de blev oerhört kända och vann Nobelpriset. Deras vetenskapliga artikel om den banbrytande upptäckten av grafen publicerades så småningom i Science, och själva artikeln fanns med bland de 100 mest citerade artiklarna genom tiderna. Detta är en prestation som varje vetenskaplig forskare drömmer om.

Aida Rafat är biträdande ingenjör på ConocoPhillips. Du kan se henne tävla i den internationella FameLab-finalen den 8-9 juni 2016.