GRAFEN

- SVERIGE I TÄTSTRIDEN FÖR DET FANTASTISKA MATERIALET

Forskningsområden kan vara mer eller mindre trendiga. Grafen är mer än så. Det är superhett. Grafen har fantastiska egenskaper som kan revolutionera vår teknologi.
Kapplöpningen om att behärska grafenets egenskaper pågår för fullt världen runt. Och Sverige satsar hårt på att vara med i racet.
I Uppsala och Linköping skapas nya metoder att ta fram allt större flak av det svårtillverkade hypertunna mirakelmaterialet.
Och på Chalmers i Göteborg försöker nanoteknikerna konstruera världens snabbaste transistorer av grafen.
Komponenter som kan bli kärnan i säkrare röntgen­undersökningar, snabbare datorer eller kameror som kan se genom kläder.

Sverige i tätstriden om grafen.

Sverige i tätstriden om grafen.

Jan Stake är professor i fysikalisk elektronik på Chalmers. Han är en del av den svenska satsningen på att hänga med i ett område som utvecklas med expressfart just nu – grafen.

– Vi vet inte vart det här leder, det är bara i början än. Men det är jättespännande, säger han.

Supermaterialet består enbart av kol­atomer ordnade som ett rutnät i ett enda lager. Den här strukturen, som i princip är tvådimensionell, ger grafenet unika egenskaper och gör det möjligt att skapa helt nya elektroniska komponenter.

Den första tanken hos de flesta tekniker och forskare som förstått grafenets möjligheter har varit att bygga komponenter som gör datorer snabbare och mindre. Drömmen är alltså att fortsätta datorutvecklingen genom att ersätta kisel med kolnät.

Men Chalmerssatsningen handlar istället­ om att arbeta fram tillämpningar med det som kallas terahertzstrålning. Det är ett område som de kan sedan flera år, och nu vill man göra det med grafen istället för de traditionella materialen.

För att skapa terahertzstrålning krävs ämnen där elektronerna kan röra sig extremt snabbt, och där är grafen minst tio gånger bättre än de material som används idag, halvledare av gallium och indium.

Vanlig röntgen fungerar bra, men är skadlig för människor. Med hjälp av grafen kommer man att kunna utveckla röntgenapparater som arbetar med terahertzstrålning – mindre skadligt och minst lika effektivt.

Vanlig röntgen fungerar bra, men är skadlig för människor. Med hjälp av grafen kommer man att kunna utveckla röntgenapparater som arbetar med terahertzstrålning – mindre skadligt och minst lika effektivt.

Från röntgen till bilradar
Elektromagnetiska vågor i terahertz­området gör det möjligt att titta in i kroppen utan att använda farlig röntgenstrålning. Strålningen dämpas av vatten, och stannar därför efter någon centimeter. Men just den känsligheten för vätska gör att man kan få en bild av kroppens olika vävnader, och exempelvis upptäcka tumörer.

Samma teknik kan användas för att se genom kläder, vid en säkerhetskontroll på en flygplats till exempel.

Andra tillämpningar finns inom radioastronomin, där terahertzvågor kan användas för att analysera den kemiska sammansättningen av kosmiska gasmoln. Det går också att kontinuerligt mäta is och vattenmängder i atmo­sfären närmare jorden.

Med terahertzvågor kan man också öka frekvensen på radiokommunikation över korta avstånd. Det lägger grunden till snabbare trådlösa nätverk för datorer, till exempel. Och en annan ny möjlig teknik är en kortdistansradar med stor detaljskärpa, som kan se genom dimma och regn upp till 100 meter – kanske något för framtidens bilar.

Och fler tillämpningar blir det säkert­ när tekniken väl är etablerad.

– Det är som med hönan och ägget. Man vet inte vad det blir förrän vi börjar använda det, säger Jan Stake.

Målet är att skapa transistorer som kan arbeta i de här höga frekvenserna, eller komponenter som själva alstrar signaler. När man väl har dem, så kan de användas i alla upptänkliga sammanhang­.

Kolnanorör var materialforskarnas favoriter för några år sedan. Men nu är de mer eller mindre ute – grafen är det som gäller.

Kolnanorör var materialforskarnas favoriter för några år sedan. Men nu är de mer eller mindre ute – grafen är det som gäller.

Vanlig frystejp blir grafen

Kunskapen om grafen är bara några år gammal, och förhoppningarna om vad det ska kunna användas till växer hela tiden. En stor del av forskningsresurserna går fortfarande till att undersöka­ materialets grundläggande egenskaper, om vad som händer om grafenet förändras på olika sätt, om det kan kombineras med andra ämnen­ eller vad hål i strukturen­ gör med elektronernas­ rörelser över nätet­. Men fortfarande är det tillverkningen som är den stora flaskhalsen. Frågan är hur man ska kunna skapa användbart grafen på ett effektivt och pålitligt sätt.

Grafen är i högsta grad hi-tech. Det är nanoteknik och kvantmekanik i avancerad förening, och i framtiden hoppas man att materialet ska revolutionera vår vardag.

Men allt är inte lika högteknologiskt. Fortfarande sitter forskarna på sina laboratorier och framställer små, små bitar av grafen med hjälp av vanlig frystejp. Det gör till exempel Jan Stake och hans kolleger på Chalmers.

– Vi håller också på med tejp, säger Ulf Jansson, kemiprofessor i Uppsala. Men det är en värdelös metod. Det är jättejobbigt, tar lång tid och det blir dyrt.

Det går att köpa grafen som är framställd på det här sättet men den kostar mycket mer än sin vikt i guld – ungefär tusen dollar för en bit med samma yta som tvärsnittet av ett hårstrå.

Tejpmetoden bygger på att grafen framställs ur kristaller av grafit, ungefär samma ämne som finns i stiftet på blyertspennor. Med tejp lyfter man de tunna skikt som bygger upp grafiten, och när skikten är tillräckligt tunna så har man grafen. För att vara riktigt säker på hur tjocka skivorna är, och att de inte har vikt ihop sig över varandra, behöver man sortera dem med hjälp av ett elektronmikroskop.

Grafen består av en atom tunna skikt av kol. Materialet har många mer eller mindre fantastiska egenskaper inom flera områden. Nu pågår ett internationellt race om att hitta ett sätt att tillverka grafen på.

Grafen består av en atom tunna skikt av kol. Materialet har många mer eller mindre fantastiska egenskaper inom flera områden. Nu pågår ett internationellt race om att hitta ett sätt att tillverka grafen på.

Nya tillverkningsmetoder

Men forskarna i Uppsala är samtidigt med i den stora internationella kapplöpningen mot ett effektivare sätt att tillverka grafen. Tejp funkar bara till forskningsbehov, och knappt det.

– Vi är nog unika i världen, säger­ Helena­ Grennberg, professor i organisk­ kemi i Uppsala. Vi har en metod­ som ger grafen av mycket god kvalitet­.

Den metoden går ut på att klyva grafiten med främmande ämnen, till exempel brom, som lägger sig mellan skikten av kolatomer. Sedan skakas lagren isär med hjälp av ultraljud till större flak av grafen. Större betyder i det här sammanhanget rutor med några mikrometers sida.

I Linköping finns ytterligare en gren av den svenska satsningen på de tunna­ kolflarnen. Där satsar man på att bygga grafenflak från kiselkarbid, ett ämne som annars används både som slipmedel och inom elektroniken. Kiselkarbid­ är helt enkelt kisel i förening med kolatomer.

Linköpingsmetoden går ut på att hetta upp kiselkarbiden tills bara kol­atomerna finns kvar, och då ordnar de sig till grafen. Med Linköpingsmodellen har man lyckats få rutor av grafen som vilar på ett underlag av kisel på flera centimeter, vilket är mycket i de här sammanhangen.

Men jakten på en metod att tillverka grafen i industriell skala är internationell. En koreansk forskargrupp presenterade nyligen en variant där man hettar upp kolet till en gas, som sedan får kondensera på en kristall av nickel.

Intresset för kolnanorör svalnar

Under 1990-talet upptäcktes kolnanorör, som i princip är rör i nanoskala av hoprullad grafen. De här rören har blivit­ föremål för intensiv forskning, men idag när det finns grafen så har intresset för kolnanorören svalnat betydligt, även i Sverige. Grafen har bättre egenskaper än kolnanorör på nästan alla områden där man letar efter­ nya material.

Men en användning för nanorören kan bli som råmaterial för grafen. De är nämligen lättare att framställa, och när man väl har dem kan rören klippas upp med kemiska medel. Och genom att rulla ut de uppklippta rören så har man grafen. Den metoden kommer från Riceuniversitetet i Texas och presenterades i april i år.

Användningsområdena för grafen är oändliga, när det väl finns i tillräckligt stora mängder för att det ska vara ekonomiskt livskraftigt. När det blir verklighet vet ingen idag. Inte ens om det någonsin kommer att gå. Men jakten­ är i full gång över hela världen, och Sverige är med.

Genom att använda frekvenser i det så kallade terahertzgapet kan effektiva­ radar till bilar tillverkas. Dessa frekvenser är idag mycket svåra att åstadkomma­, men med grafen kan det bli betydligt enklare.

Genom att använda frekvenser i det så kallade terahertzgapet kan effektiva­ radar till bilar tillverkas. Dessa frekvenser är idag mycket svåra att åstadkomma­, men med grafen kan det bli betydligt enklare.

Material från
Allt om vetenskap nr 9 2009

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter