Grafen – vad är det och vad används det till?

Grafen – vad det är och var det kommer ifrån

Grafenens genombrottskaraktär ligger främst i dess tvådimensionalitet. Fysiskt är det ett lager av enkla kolatomer arrangerade i ett hexagonalt mönster som visuellt liknar en bikaka. Grafen är därför en allotrop av kol. På 1940-talet utvecklade Phillip Russel Wallace det teoretiska konceptet att skapa en enatoms kolstruktur. Denna idé har dock avvisats av de flesta forskare i många år. Det var inte förrän sex decennier senare som det kunde omvandlas till ett verkligt, påtagligt material. Duon Gejm och Nowosiolow från University of Manchester lyckades isolera grafen från en grafitklump genom att överföra kolatomer till ett lager av kiseldioxid (SO ₂ ) med hjälp av en tejp. Kiseldioxid spelade en viktig roll i denna process, och isolerade ett grafenlager med en neutral elektrisk laddning. Denna metod används för närvarande endast i liten skala för forskningsändamål.

Ovanliga egenskaper hos grafen

Vad är det med detta ultratunna lager av kolatomer som har fascinerat den vetenskapliga världen? Grafen har visat sig vara en extremt bra ledare av värme och elektricitet. Det kännetecknas också av lågt aktivt motstånd. I detta avseende är det en konkurrent till koppar och kisel. Vid rumstemperatur visar grafenelektroner en mobilitet som saknar motstycke i andra material. Deras höga hastighet som når 1/300 av ljusets hastighet öppnar upp för intressanta möjligheter för diagnostik. Grafen är också nästan genomskinligt – det absorberar 2,3 %av vitt ljus. Därför går dess exceptionella elektriska potential hand i hand med den optiska. Trots sin extremt tunna struktur är grafen upp till 100 gånger starkare än stål. Samtidigt behåller den en hög nivå av flexibilitet (upp till 20 %töjbarhet i längd eller bredd). Ett oxiderat grafenmembran är helt ogenomträngligt för gaser, men ändå genomsläppligt för vatten, så det kan användas för filtrering. Materialets antimikrobiella egenskaper är också anmärkningsvärda.

Prospektiv grafen – tillämpningar i olika branscher

De elektroniska, optiska, termiska och mekaniska egenskaperna hos grafen har öppnat dörren till dess många praktiska kommersiella tillämpningar, som enligt experter kommer att utvecklas dynamiskt under de kommande decennierna. Redan idag anses grafen vara efterföljaren till kisel inom det elektroniska området. Denna transparenta och flexibla ledare kan användas för att tillverka solceller, rullbara displayer och pekpaneler samt LED-lampor. Det ökar också avsevärt frekvensen av elektromagnetiska signaler, vilket möjliggör produktion av snabbare transistorer. Grafensensorer väcker också stort intresse. Tack vare exceptionell känslighet kan de upptäcka enskilda molekyler av farliga ämnen, vilket gör det lättare att övervaka miljön. Grafenoxid som fördelas i luften har också förmågan att avlägsna radioaktiva föroreningar. Utsikterna att utveckla nya produkter med grafen ökar varje år. Befintliga applikationer med störst potential inkluderar:

• moderna elnät;
• energieffektiva ljuskällor;
• halvledare som används i spintroniska enheter;
• effektivare rostskyddsbeläggningar;
• vattenfiltrering för rening och avsaltning;
• optoelektroniska kommunikationssystem.

Dessutom spekuleras det om den framtida användningen av grafen för produktion av lättare och mer hållbara strukturella komponenter för bilar, flygplan, fartyg och enheter. I kombination med konstgjorda material (t.ex. gummi) skulle det kunna användas för att skapa till exempel värmeledande gummi. Baserat på grafen har ett extremt starkt papper som kan leda elektricitet redan utvecklats.

Biokompatibel grafen – medicinska tillämpningar

Anmärkningsvärt är också möjligheten att använda grafen inom biomedicinområdet, både inom diagnostiska och terapeutiska områden. Som läkemedelsbärare kännetecknas grafenoxid av hög biokompatibilitet och utmärkt löslighet. Detta möjliggör exakt dosering av antiinflammatoriska och anticancermedel samt enzymer och mineralämnen. Eftersom grafen är en perfekt värmeledare används det också för att förstöra cancertumörer. Fenomenet termolesion gör det möjligt att använda värmen som ackumuleras av den för att minska smärta i vävnader. Arbete pågår redan med produktion av uppvärmda medicinska tillbehör och kläder. Grafenark används också som biosensorer och kan hjälpa till att diagnostisera cancer och neurologiska sjukdomar (t.ex. epilepsi eller Parkinsons sjukdom) med bärbara enheter. Grafensonden som utvecklats av polackerna förväntas revolutionera EKG-tester genom att tillåta mätningar från hjärtnivån. De antibakteriella egenskaperna hos grafen ger också en möjlighet att lösa krisen relaterad till bakteriers växande okänslighet för antibiotika. Grafen kan användas som grund för utveckling av medel avsedda för lokal infektionskontroll och sårdesinfektion. Möjligheten att använda grafen i vävnadsteknik ser mycket lovande ut. Den mekaniska styrkan hos de innovativa kolställningarna är extremt hög. Studier visar att det påskyndar stamcellsdifferentiering och främjar snabbare återhämtning.

Grafentillverkning

Sedan 2014 har grafen producerats i större skala för kommersiella ändamål. Nya mikromekaniska tekniker har möjliggjort betydande prissänkningar på materialet. För närvarande är dess ledande tillverkare USA och Kina, där betydande mängder billig amorf grafit kan hittas. Önskvärt inom elektronikområdet måste premiumgrafen tillverkas av grafit av tillräcklig kvalitet och detta kräver platta, ordnade kristaller som förvärvats i specialbearbetning. Priset på materialet är då motsvarande högre. Koreanska forskare har lyckats utveckla ett effektivt och kostnadseffektivt sätt att framställa grafen genom kemisk ångdeposition (CVD). Nackdelen med denna lösning är en lägre kvalitet på materialet och högre frekvens av defekter. I vissa applikationer utgör detta dock inga problem. Polacker har också bidragit till utvecklingen av innovativa metoder för grafenframställning. Institutet för elektronisk materialteknik i Warszawa har patent på att tillverka materialet från kiselkarbid. Under 2015 utvecklade forskare från universitetet i Lodz, Polen, en banbrytande HGSM-teknik som möjliggör produktion av högkvalitativa ark i storformat från flytande fas.

Är grafen säkert?

Som ett relativt nytt material väcker grafen förståeliga tvivel i samband med de möjliga effekterna på människors hälsa. Det finns till och med påståenden om att den tunna och lätta strukturen hos grafen lätt kommer in i lungorna, vilket utgör ett hot jämförbart med damm eller till och med asbestfibrer. Kinesiska studier tyder till och med på att nanopartiklar av tvådimensionellt kol kan bosätta sig i inre organ. Det finns också en teoretisk risk att grafen, genom att komma in i yt- och grundvatten, kan vara skadligt för växter och djur. De fina partiklarna kan lägga sig på kanterna av vattendrag och öka vattnets hårdhetsnivåer. Men enligt nuvarande kunskap är grafen inte giftigt och har ingen affinitet för farliga ämnen. Dess kvantiteter, och därmed potentiell exponering, är också extremt låga eller till och med försumbara. I kontakt med huden uppvisar den inte irriterande egenskaper. Internationella studier visar också att inandning inte orsakar negativa immunologiska reaktioner. Det finns en allmän konsensus i det vetenskapliga samfundet om behovet av ytterligare forskning om egenskaperna och tillämpningarna av grafen, inklusive dess säkerhet. Detta kommer att möjliggöra optimering av metoder för att använda det innovativa materialet med sikte på långsiktiga effekter på människor och miljö.