(Foto: Statoil Fuel & Retail)

GRAFÉN

11 ting grafén kan revolusjonere

Men hvorfor tar denne revolusjonen så lang tid?

Grafén

  • Består av kun ett lag karbonatomer.
  • Går for å være det tynneste, mest fleksible stoffet som noensinne er laget.
  • Flere hundre ganger tynnere enn silisium, men likevel 300 ganger sterkere enn stål.
  • Er rimelig, fleksibelt og leder elektrisitet bedre enn silisium, og gir nye muligheter innen materialteknologi og elektronikk.

Grafén og dets mange uvanlige egenskaper har lenge varslet en revolusjon innen en rekke felter. Det kan virke som om det nesten daglig publiseres nye funn innen feltet.

Den store omveltningen lar imidlertid vente på seg. Hittil har problemet vært å masseprodusere grafén til en billig penge, selv om gjennombrudd gjøres her også.

Deloitte publiserte nylig sine grafénspådommer for 2016. De tror at grafénmarkedet kommer til å være på noen få titalls millioner dollar i år.

Det vil imidlertid brukes hundrevis av millioner dollar på forskning og utvikling bare i år, og Deloitte tror grafén vil være på forsknings- og utviklingsstadiet det neste tiåret.

Behov for små mengder

Selv om det vil komme produkter på markedet i år som markedsføres som grafénprodukter, vil de fleste trolig inneholde små mengder av materialet, tror Deloitte.

Dette understrekes av Alabama Graphite Corp., som nylig annonserte at de trekker seg ut av grafénmarkedet. Innen et kommersielt bruksområde som krever store mengder grafén dukker opp, vil behovet være noen få gram her og der.

Ikke nok til å drive forretning, med andre ord.

Så når kan vi vente oss at grafénrevolusjonen står på trappene? Venter vi bare på en god produksjonsmetode, eller venter vi på at noen skal komme opp med et revolusjonerende produkt som tar materialet i bruk?

Markedet og teknologien må følge hverandre

– Jeg vil tro etterspørselen ikke er der enda, og at om noen hadde en fantastisk god storskala produksjonsteknikk nå, så hadde de kanskje ikke fått solgt produktet sitt. Markedet og teknologien må nok utvikles litt i takt, sier Ragnar Fagerberg, seniorforsker ved Sintef Materialer og kjemis avdeling for materialer og nanoteknologi.

Om vi venter på produksjonsmetode eller produkt er uansett et omfattende spørsmål, ifølge Fagerberg.

– Det hører med til historien at grafén er et veldefinert materiale, men i praksis så brukes grafén-ordet om et ganske stort spenn av materialer. Måten det blir laget på betyr mye for hva slags grafén man får, hvilke egenskaper det har og hva slags anvendelser det er egnet til, sier Fagerberg.

Mengden avhenger av bruksområdet

– Mitt inntrykk er at man kanskje har kommet lengst i å anvende materialet innen IKT-området. I elektronikkanvendelser trenger man bare noen få gram med materiale, mens i andre anvendelser som kompositter kan man trenge større volumer. Da har man behov for helt andre produksjonsmetoder.

Han mener det er litt tidlig å begrave tanken om grafén. Det kan gjerne oppstå en hype rundt nye materialer som grafén, tror Fagerberg, og trekker en parallell til karbonnanorør som det var mye snakk om for noen år siden.

Selv om hypen har lagt seg, jobber det fortsatt med bruksområder til dette.

– For vår del er grafén et interessant materiale, så vi kjører også prosjekter hvor vi ser på metoder å lage og bearbeide grafén på, og vurderer anvendelsesområder som kan være av industriell interesse.

Stadig nye bruksområder

Forskning som handler om nye bruksområder for grafén publiseres nærmest daglig. Bruksområdene har et svært bredt spenn, og handler om alt fra hjernesensorer til nye typer pansring.

Her er 11 foreslåtte bruksområder fra de siste par månedene.

Hvorvidt de noen gang vil ta steget ut av laboratoriet er dog et åpent spørsmål.

Et komposittmaterila med nanobånd av grafén kan avise vinger på kort tid.
Et komposittmaterila med nanobånd av grafén kan avise vinger på kort tid. Tour Group/Rice University

1. Isfrie vinger

Om det dannes is på en flyvinge endres egenskapene til vingen. Dette kan potensielt gi dramatiske endringer i løft, og gi aerodynamisk steiling. Ising på vingene har vært en faktor i mange flyulykker.

Forskere ved Rice-universitetet har utviklet en metode for å unngå ising, ved hjelp av et komposittmateriale bestående av nanobånd av grafén i et epoksy. Grafénet fungerer her som varmeelementer, som når de tilføres strøm smelter unna isen på svært kort tid.

I et forsøk med en helikopterrotor ble materialet varmet opp til 93 varmegrader, og viser seg å kunne smelte unna en centimeter med is i 20 kuldegrader. Materialet skal være stabilt opp til 300 varmegrader.

Metoden kan potensielt redusere bruken av glykolbaserte avisingsvæsker når fly står på bakken. Den er bare testet på rotorblad, men kan potensielt fungere på flyvinger, vindturbiner, høyspentlinjer og annet man ønsker at skal være isfritt. Metoden er beskrevet i journalen ACS Applied materials & interfaces.

2. Sensorer til hjernen

UCLA-forskere har utviklet en metode for å gro molekyler i en form av grafén. Det fungerer omtrent som når man unngår ugress ved å gro planter på en overflate dekket av plast, med hull bare til veksten.

Poenget er å lage mønstre på gullsubstrat, og unngå at molekylene fester seg andre steder enn der man ønsker. Slik kan de utvikle sensorer som er så små at de kan plasseres for eksempel i hjernen.

Her kan de overvåke individuelle nerver i hjernen, og brukes til å teste ut nye behandlingsmetoder for nevrologiske sykdommer som MS og Parkinsons sykdom.

3. Vannfilter

En forsker ved Berkeley i USA har utviklet en ny membran til bruk i vannfiltrering. Denne skal være langt mer effektiv enn eksisterende systemer, og bruke mindre strøm.

Metoden benytter mange lag grafén, og gir en tynn membran som lar mye vann passere over kort tid.

Forskeren har oksidert grafén til grafénoksid, noe som i seg selv er et problem. Denne formen lar vann lettere passere, men er også oppløselig i vann.

Et kjemikalie, 1,3,5-benzentrikarbonyl triklorid, som limer sammen lagene med grafénoksid har løst dette problemet, og membranen løses ikke opp.

Membranen kan brukes til å avsalte sjøvann, og å rense drikkevann. Metoden kan potensielt brukes i store drikkevannbehandlingsanlegg så vel som i springen din hjemme.

Motorolje med sammenkrøllede grafénflak kan gi mindre friksjon i motorer. Statoil Fuel & Retail

4. Bedre motorolje

Motorolje er livsviktig for en stempelmotor, siden det reduserer friksjon i motoren og girkassen. Likevel går i snitt 15 prosent av drivstoffet med til å overkomme denne friksjonen.

Forskere ved McCormick School of Engineering i USA har utviklet en motorolje med grafén krøllet sammen til baller. Dette fungerer omtrent som små kuler i et kulelager, og bidrar til å redusere friksjon. Forsøk skal ha gitt lovende resultater.

Testene viser en forbedring på inntil 15 prosent med tanke på reduksjon av friksjon og slitasje på ståloverflater.

Grafénet kan potensielt få flere funksjoner i motoren. Siden disse ballene har høy overflate kan de tenkes å egne seg til å frakte rusthemmende stoffer i tillegg.

Resultatene er publisert i journalen PNAS.

DNA-sekvensering kan potensielt gå unna i en fei ved hjelp av kjemisk modifisering og grafén.
DNA-sekvensering kan potensielt gå unna i en fei ved hjelp av kjemisk modifisering og grafén. Paulechka et al.

5. Kjapp DNA-sekvensering

Om man skal tro film og TV, er DNA-sekvensering gjort på et blunk. Realiteten er imidlertid at det er tidkrevende og dyrt å sekvensere DNA for å sammenligne treff.

Forskere ved National Institute of Standards and Technology i USA har kommet opp med en metode som kan gjøre sekvensering lynraskt, og identifisere 66 milliarder baser i sekundet med en nøyaktighet på 90 prosent.

Veldig enkelt forklart innebærer metoden å danne midlertidige kjemiske bindinger til basene i DNA-et, og så bryte bindingene igjen ved å trekke DNA-et gjennom et nanohull i grafén.

Grafénet kan da brukes til å måle kraften som trengs for å bryte bindingene, og identifisere hvilke baser det er snakk om. Resultatene kan så samles inn underveis.

Det eneste problemet med metoden, som er beskrevet i journalen Nanoscale, er at den bare er simulert.

Dersom den viser seg å også fungere i praksis, kan den vise seg å forenkle sekvensering betydelig.

6. Syntestisk hud mer følsom enn menneskehud

Forskere ved Monash-universitetet i Australia har utviklet et grafénelastomer som kan brukes til å gi roboter berøringsfølelse. Det kan åpne for svært nøyaktige kirurgiske roboter eller svært følsomme proteser.

Grafénelastomer vil gå tilbake til opprinnelig form langt raskere enn skum eller gummi, og kan registrere trykk og vibrasjoner over et svært bredt frekvensspekter. Materialet er også langt mer følsomt enn våre berøringssanser.

Fleksibiliteten i materialet åpner også for utvikling av fleksibel elektronikk. Forskningen er publisert i journalen Advanced Materials (åpen aksess).

  • Les også:

7. Filtrering av atomavfall

Membraner av grafén og bornitrid kan brukes til å sile tungtvann. Oppdagelsen er gjort av forskere ved universitetet i Manchester, og kan potensielt bety at man kan produsere tungtvann med ti ganger så lite energi som i dag, og langt raskere og enklere enn med eksisterende metoder.

Når tungtvann brukes i kjernekraftproduksjon dannes den radioaktive hydrogenisotopen tritium som et biprodukt.

Grafénmembranen viser seg å kunne sile deuteroner – altså kjernen i deuteriumatomet eller tungt hydrogen – og kan brukes til å berike tungtvann med deuterium og tritium. På samme måte kan det også brukes til å filtrere ut isotoper.

Membranen kan sile subatomære partikler ved romtemperatur, og viser seg også å være skalerbar, skriver universitetet på sine nettsider.

8. Sterkere tannfyllinger

Grafénoksid kan potensielt sørge for korrosjonsfrie fyllinger som tåler mer enn andre fyllinger. Forskere ved det rumeske Iuliu Hatieganu-universitetet har undersøkt denne muligheten.

Problemet er bare at man ikke vet sikkert om grafénoksid er cytotoksisk, altså om det kan skade eller drepe celler. Forskerne prøvde derfor ut forskjellige grafénvarianter, og kom frem til at grafénoksid er den minst cytotoksiske varianten. Den egner seg derfor best til tannfyllinger.

I dette tilfellet må imidlertid testingen fortsette før løsningen eventuelt kan utvikles til bruk hos mennesker. Kommer man så langt, kan resultatet bli fyllinger som ikke slites ned eller må byttes ut.

Grafén dannet på plastfilm ved hjelp av laser.
Grafén dannet på plastfilm ved hjelp av laser. Tour Group/Rice University

9. Fleksible mikrosuperkondensatorer

Med mulighet for 50 ganger raskere opplading enn batterier, og raske energiuttak, har superkondensatorer potensiale til å revolusjonere elektronikken. Forskere ved Rice-universitetet har utviklet en metode for å lage slike ved hjelp av grafén og laser.

Disse kan ganske enkelt «printes» på en plastfilm, slik at de er fleksible. Deretter tilsettes elektrolytt, og til slutt kapsles det hele inn. I fremtiden kan teknikken brukes til storskalaproduksjon av grafénkomponenter.

Fremstillingen, beskrevet i journalen Advanced Materials, foregår ved at laseren brenner vekk alt annet enn karbonet i det øverste laget av plastfilmen. Dermed dannes grafénlag festet til filmen.

Superkondensatoren har en kapasitans på 934 mikrofarad per kvadratcentimeter, og en energitetthet på 3,2 milliwatt per kubikkcentimeter. Dette er ifølge forskerne dobbelt så høy energitetthet som i batterier.

Etter å ha blitt bøyd 10.000 ganger, viser det seg også at superkondensatorene fremdeles er stabile.

10. Skuddsikre vester

Det spanske forsvaret undersøker muligheten for å lage skuddsikre vester av grafén, skriver Navaltoday.com. Dette i samarbeid med Cartagena polytekniske universitet.

Tanken er å teste en rekke nanokomposittmaterialers egenskaper. Resultatet kan bli nye skuddsikre vester, som i dag gjerne består av en kombinasjon av keramiske plater og forskjellige fibre som kan absorbere energien fra kuler og splinter.

Det er selvsagt ikke godt å vite hva utfallet av forskningen blir, men om de lykkes med å finne et bedre materiale, kan det ifølge det spanske sjøforsvaret revolusjonere skuddsikre vester.

11. Sterk og lett plastikk

Sunvault Energy og Edison Power har annonsert at de har laget plastikk styrket med grafén, som både er billig å produsere og kan endre måten plast brukes på.

Og det kan hende at det spanske forsvaret kan være interessert i dette, for denne plasten viser seg å kunne stoppe kuler med kaliber 5,56 millimeter og 11,45 millimeter. Dette med plast tynnere enn en centimeter.

Plasten kan dermed være interessant både til personlig beskyttelse og kjøretøybeskyttelse. Også forbrukerelektronikk som mobiltelefoner og PC-er kan vise seg å være bruksområder for denne plasten.

Videoen under demonstrerer grafénplasten. Det finnes også en annen video som demonstrerer beskytning med AK47.