De potensielle bruksområdene til karbonmaterialet grafén er allerede mange, men stadig oppdages det nye. (Bilde: Love Pavlov IDA/Graphene Flagship)

Fantastiske muligheter i grafén

Les alt om satsingen på vidundermaterialet du selv kan lage på kjøkkenbenken.

Det karbonbaserte materialet grafén har blitt valgt ut som ett av to flaggskip innen framtidig, men kommende teknologi, av EU-kommisjonen. Som digi.no skrev i januar i år, var det Chalmers Teknologiska Högskola i Gøteborg som vant fram med sitt forslag. Høyskolen har forsket på grafén i seks år og har et renrom på over tusen kvadratmeter. Det skal være blant de største og mest avanserte i sitt slag ved akademiske institusjoner i Europa. I renrommet, eller nanolabben som det også kalles, kan man ved hjelp av blant annet elektrostrålelitografi lage komponenter med en nøyaktighet på 10 nanometer. Ved labben lages det blant annet komponenter for kvantedatamaskiner, qbits. Men også grafén.

Flaggskipet, som har en varighet på år og som vil bli finansiert med inntil 1 milliard euro fra EU i løpet av perioden, blir koordinert av Chalmers.

Flaggskipet satte offisielt seil i forrige uke med blant annet et mediearrangement som digi.no ble invitert til, men også med kongelig besøk.

Digi.no har skrevet en rekke artikler om grafén, helt siden 2007, da det ble kjent at professor Andre Geim og doktor Kostantin Novoselov ved University of Manchester School of Physics and Astronomy hadde laget en transistor av nettopp grafén. Men mye har skjedd siden den tid. Likevel:

Ifølge Mikael Fogelström, professor og vitenskapelig leder for grafénprosjektet ved Chalmers, er grafén langt fra noe nytt.

Mikael Fogelström leder grafénforskningen ved Chalmers.
Mikael Fogelström leder grafénforskningen ved Chalmers. Bilde: Chalmers tekniska högskola

– Det har i «all tid» eksistert i sporene av blyantstreker, sa Fogelström. I blyanter brukes karbonmaterialet grafitt, som har blitt brukt i stor stil siden de første store grafittforekomstene ble oppdaget i Nordvest-England i 1555. Det er altså et svært kjent materiale. Men det har, som vi skal se, en del ganske unike og kanskje ikke så kjente egenskaper.

Siden 1800-tallet
Helt siden 1859 har forskere forsøkt å lage grafén i avanserte eksperimenter. Den tyske kjemikeren Hanns-Peter Boehm ga materialet dets navn i så sent som i 1986. Men de første grafénkrystallene ble først oppdaget i 2004 av nevnte Geim og Novoselov. De brukte en metode som hvem som helst kan gjøre hjemme på kjøkkenbenken. I videoen nedenfor ser vi at pressen får demonstrert metoden av stipendiat Niklas Lindwall. Opptaket er gjort inne på renrommet til Institutionen för Mikroteknologi och Nanovetenskap ved Chalmers. Instituttet kalles for MC2.

Geim og Novoselov mottok i 2010 Nobelprisen i fysikk for denne oppdagelsen.

Oppdagelsen
Til digi.no fortalte Novoselov – som i dag er «sir», professor ved University of Manchester og medlem av det strategiske rådet til grafénflaggskipet – at oppdagelsen ikke var knyttet til et enkelt øyeblikk, men var del av en prosess hvor man hadde valgt grafitt som materiale for å lage en transistor, og om hvordan man kunne gjøre den tynn nok. Dette var ikke en del av forskernes vanlige arbeid, men noe som har blitt hetende et «Friday night experiment».

Konstantin Novoselov gjorde sammen med Andre Geim en oppdagelse som de to seks år senere fikk Nobelprisen i fysikk for.
Konstantin Novoselov gjorde sammen med Andre Geim en oppdagelse som de to seks år senere fikk Nobelprisen i fysikk for. Bilde: Harald Brombach

– Det startet med at Andre ba en student om å polere grafitten med det som i praksis var en fil. Det mislyktes, han tok den dyreste biten med grafitt og kom tilbake med haug med støv, så vi stoppet det prosjektet. Men ved siden av oss var det en som bygde et slags mikroskop hvor det ble brukt renset grafitt. Dette gjorde de ved ganske enkelt å rense vekk topplaget med Scotch-tape og så å kaste vekk tapebiten. Jeg viste om dette, men det var først når du ser det at det blir innlysende. Jeg bare plukket opp denne tapebiten og innen noen timer hadde vi en fungerende enhet, fortalte Novoselov.

Men deretter fulgte et helt år med forskning for å få det tynt og helt ned til et monolag. Man kunne aldri være sikker på at man ville komme til et monolag. All fornuft tilsa at monolaget ikke ville eksistere eller være stabilt, men overraskende nok oppnådde vi det, fortalte Novoselov.

De mange ulike produksjonsmetodene for grafén gir gode valgmuligheter innen egenskaper som størrelse, kvalitet og pris.
De mange ulike produksjonsmetodene for grafén gir gode valgmuligheter innen egenskaper som størrelse, kvalitet og pris. Bilde: Graphene Flagship

Det spesielle med grafén er at det er det første 2D-materialet som ble oppdaget. Med 2D eller monolag menes at hvert lag av materialet bare er ett atom tykt. Siden 2004 har det blitt oppdaget en flere andre 2D-materialer som gjerne kan kombineres med grafén for å danne helt nye materialer med nye egenskaper.

Produksjon
Metoden som Geim og Novosevov benyttet, er enkel, men ikke særlig egnet for industrielle formål. Derfor er det utviklet minst fire andre metoder for produksjon av grafén. Metoden som benyttes ved nanolabben til MC2 kalles for chemical vapour depotion. Dette forklares i videoen nedenfor. Men i begynnelsen av videoen viser assisterende professor August Yurgens en svært spesiell egenskap ved grafitt, som kan være verdt å få med seg.

I videoen fortelles det blant annet at de kjemiske prosessene stopper helt av seg selv når man har oppnådd grafén med ett lags tykkelse. Grafénbitene man kan lage med denne metoden, er ikke så små at man behøver mikroskop for å se dem, men kan være flere centimeter store.

Grafittbiten som vises i videoen over, svever over magneten og vil i teorien kunne fortsette å gjøre det i det uendelige.
Grafittbiten som vises i videoen over, svever over magneten og vil i teorien kunne fortsette å gjøre det i det uendelige. Bilde: Harald Brombach

Grafén består av sekskantede molekyler som danner et plan. Det eneste som stikker opp er et elektron per molekyl, og ifølge Fogelström er det dette som gir materialet dets gode, elektriske egenskaper. Når molekylene danner den velkjente bikakefasongen, kan disse elektronene bevege seg fritt over nettet av molekyler.

Egenskapene
Rekken av gode egenskaper ved grafén er lang. Det leder strøm bedre enn kobber, er gjennomsiktig (90 prosent), ugjennomtrengelig for andre atomer, tøybart, kan lage strøm av lys, leder varme godt og er blant de sterkeste materialene som finnes.

Dessuten er det svært lett og ekstremt tynt. Ifølge Vittorio Pellegrini, som er direktør for grafénsenteret ved Istituto Italiano di Tecnologia i Genova, er grafén det (kjente) materialet som har størst forhold mellom overflate og masse. Ti gram er nok til å dekke tre fotballbaner.

Alan Atkisson er EU-rådgiver og ekspert på bærekraftighet.
Alan Atkisson er EU-rådgiver og ekspert på bærekraftighet. Bilde: Harald Brombach

Alle de gode egenskapene til grafén gjør at materialet har potensial til å bli brukt innen en rekke områder, noe oversikten i toppen av artikkelen antyder. Det kan gi helt nye muligheter, men også forbedre eksisterende teknologier. Alan Atkisson, rådgiver for presidenten av EU-kommisjonen og spesialist på bærekraftighet, sa at blant annet rensing av vann, raskere elektronikk, mer effektiv lagring av energi, samt erstatning av andre sjeldne, mindre effektive eller giftigere materialer er blant løftene som grafénforskningen har kommet med. Dessuten ser man store muligheter innen medisin, noe som inkluderer både behandlingsformer, sensorer og innen rettet levering av medisiner.

Pellegrini la til at man tror at grafén, kanskje så snart som om tre år, vil kunne erstatte grafitt i litium-ion-batterier og tidoble kapasiteten.

Skal man nevne én muligens negativ egenskap, er det den at grafén ikke kan brukes alene. Det må kombineres med andre materialer.

Men det kan også være andre negative egenskaper. Det vet man ennå ikke.

Farer?
– Hvordan påvirkes levende vesener av grafén? Hvordan gjøre oppbrukt grafén harmløst? Dette er faktorer som bør løses før grafén tas i bruk i industriell skala. Det typiske er at man først ser på disse problemene i ettertid, når de har oppstått, sa Atkisson.

Vittorio Pellegrini og Bengt Fadeel snakket om både potensielle muligheter og potensielle utfordringer ved bruk av grafén.
Vittorio Pellegrini og Bengt Fadeel snakket om både potensielle muligheter og potensielle utfordringer ved bruk av grafén. Bilde: Harald Brombach

Bengt Fadeel, professor i medisinsk inflammasjonsforskning ved Karolinska Institutet, deltar som forsker i grafénflaggskipets arbeidspakke for helse og miljø.

Han fortalte at en hel del av grafénflaggskipets ressurser vil være rettet mot slike områder. Blant annet skal man i årene som kommer studere hvordan grafén opptrer i biologiske miljøer.

– Grafén er i utgangspunktet det samme kjemiske materialet som grafitt eller diamant. Men man har fryktet at blant annet nanorør med en viss lengde vil ha asbestlignende effekt på mennesker. Det er foreløpig ikke noen kjent fare knyttet til partikler i nanostørrelse. Men man bør ikke vente på at katastrofen skjer, sa han.

EUs investering
Grafénflaggskipet har allerede vokst seg stort. Hele 75 akademiske og industrielle forskningsgrupper fra 17 land, men ingen norske. Sveits, som verken er med i EU eller EØS, deltar derimot med fem ulike institusjoner. Men det er flere som forsker på grafén i Norge. Digi.no har tidligere omtalt selskapene Vonano og CrayNano. Det sistnevnte selskapet er etablert av forskere ved NTNU.

Carl-Christian Buhr er kabinettmedlem for Neelie Kroes, visepresident i EU-kommisjonen og ansvarlig for kommisjonens digitale agenda. Han forklarer hvorfor EU etablerte dette store forskningsprosjektet.

– Vi ønsker å se økonomisk aktivitet som følge av forskningen, men også de nye mulighetene. I tillegg ønsker vi se om et så langvarig prosjekt i det hele tatt vil fungere, sa Buhr. Til digi.no fortalte han at det er en investering som ikke er uten risiko.

– Men det er bred enighet om at dette er det rette satsingsområdet og at timingen er riktig, sa Buhr.

Carl-Christian Buhr (tv) og Wolfgang Boch representerte EU-kommisjonen under forrige ukes grafénarrangement i Gøteborg.
Carl-Christian Buhr (tv) og Wolfgang Boch representerte EU-kommisjonen under forrige ukes grafénarrangement i Gøteborg. Bilde: Harald Brombach

– Dette er ikke noe byråkratene fant på, det var basert på en forespørsel fra forskningsmiljøene. Det handler om å skape synergier mellom nasjonale og europeiske aktiviteter, la Wolfgang Boch til. Han er sjef for hele flaggskip-enheten til EU-kommisjonen.

Jari Kinaret, professor ved Chalmers og direktør for grafénflaggskipet, sa at flaggskipet bare er mulig som et samarbeid mellom akademia og industrien.

Flaggskipdirektør Jari Kinaret og visepresident i EU-kommisjonen, Neelie Kroes, i forbindelse med kåringen av de to forskningsflaggskipene til EU-kommisjonen. Kinaret har her mottatt en 300 mm wafer med et stort stykke grafén på.
Flaggskipdirektør Jari Kinaret og visepresident i EU-kommisjonen, Neelie Kroes, i forbindelse med kåringen av de to forskningsflaggskipene til EU-kommisjonen. Kinaret har her mottatt en 300 mm wafer med et stort stykke grafén på. Bilde: European Union

På spørsmål fra digi.no om hvordan europeisk grafénforskning ligger an internasjonalt, er det bred enighet blant flaggskip-ledelsen at Europa ligger helt på høyde med forskere i USA og Asia.

– Flaggskipet befinner seg ikke i et vakuum. Det foregår et samarbeid med blant USA og Sør-Korea. Men det finnes mer industri i andre deler av verden som kan kommersialisere dette, sa Kinaret.

– Vi gjør dette like godt som i andre deler av verden. Flaggskipet vil gagne Europa som et hele og er en mulighet vi må gripe, la Boch til.

Karin Markides er rektor ved Chalmers. Hun sa at målet ved prosjektet er at ikke bare de store selskapene, men også de små, skal lykkes.

Karin Markides er rektor ved Chalmers tekniska högskola.
Karin Markides er rektor ved Chalmers tekniska högskola. Bilde: Harald Brombach

    Les også:

Til toppen