Grafen: 2D-kulstofmateriale — egenskaber, opdagelse og anvendelser
Grafen: opdagelsen, unikke 2D-egenskaber og banebrydende anvendelser — fra nanoelektronik og superkondensatorer til materialestyrke. Læs om struktur, historie og muligheder.
Grafen er en af formerne af kulstof. Ligesom diamanter og grafit har formerne (eller "allotroperne") af kulstof forskellige krystalstrukturer, og det giver dem forskellige egenskaber. Grafen er den grundlæggende 2D-form (todimensional) af en række 3D-allotroper, f.eks. grafit, kul, fulleren og kulstofnanorør.
Udtrykket grafen blev opfundet som en kombination af grafit og endelsen "-ene" af Hanns-Peter Boehm, som beskrev enkeltlags kulstoffolier i 1962. Grafen ligner en honeycomb- eller "hønsetrådsstruktur", der består af kulstofatomer og deres bindinger. Grafit består af mange grafenplader, der er stablet sammen.
Tre millioner grafenplader stablet sammen til grafit ville kun være en millimeter tykke.
Nobelprisen i fysik for 2010 blev tildelt Sir Andre Geim og Sir Konstantin Novoselov "for banebrydende eksperimenter vedrørende det todimensionelle materiale grafen".
Superkondensatorer af grafen er blandt de mulige anvendelser.
Egenskaber
Grafen har en række usædvanlige fysiske og kemiske egenskaber, som adskiller det fra mange andre materialer og gør det interessant til forskning og teknologi:
- Elektrisk ledningsevne: Grafen leder elektricitet ekstremt godt. Elektroner i grafen opfører sig næsten som masseløse partikler, hvilket giver meget høj elektronmobilitet og mulighed for hurtige elektroniske enheder.
- Termisk ledningsevne: Grafen leder varme meget effektivt langs laget, hvilket gør det nyttigt til varmeafledning i elektronik.
- Mechaniske egenskaber: Et enkelt lag grafen er ekstremt stærkt og fleksibelt. Det har en høj brudstyrke og Youngs modulus, selvom det som todimensionalt ark er meget tyndt.
- Optiske egenskaber: Grafen absorberer omkring 2,3% af synligt lys per lag, hvilket er relativt stort i forhold til dets ekstremt lille tykkelse. Det er næsten gennemsigtigt men stadig elektrisk ledende.
- Kemisk reaktivitet: Et perfekt grafenlag er kemisk stabilt, men kan funktionaliseres (fx oxideres eller bindes til andre molekyler) for at ændre egenskaberne.
- Barriereegenskaber: Et intakt lag grafen er tæt for de fleste molekyler og ioner og kan bruges som membran eller beskyttende lag.
Typer og modi af grafen
Der findes flere varianter af grafen, som har forskellige egenskaber:
- Monolag (enkeltlag): Det ideelle 2D-ark med de karakteristiske elektriske og mekaniske egenskaber.
- Bilag og multilags grafen: Flere lag ændrer elektroniske båndstrukturer og kan give nye fænomener (fx tunable båndgab i drejede bilag — "twisted bilayer graphene").
- Grafenoxid (GO) og reduceret grafenoxid (rGO): Indeholder oxygenholdige grupper og kan fremstilles i væskeform; bruges ofte til kompositter og som et trin i masseproduktion.
- Funktionaliseret grafen: Kemisk modificeret for at binde til polymerer, metaller eller biologiske molekyler.
Fremstillingsmetoder
Der er adskillige metoder til at fremstille grafen, hver med fordele og ulemper mht. kvalitet, størrelse og omkostninger:
- Mechanisk exfoliering: Også kaldet "scotch tape"-metoden, hvor enkeltlag trækkes af fra grafit. Giver høj kvalitet men begrænset areal — brugt til forskning.
- Epitaksial vækst på SiC: Ved opvarmning af siliciumcarbid (SiC) sublimerer Si og efterlader grafenlag på overfladen. Giver kontinuerlige lag på waferstørrelse, egnet til elektroniske applikationer.
- Chemical vapor deposition (CVD): Vækst af grafen på metalfolier (fx kobber) fra gasformige carbonkilder. Skalerbar metode, der kan levere store, sammenhængende flader efter overførsel til andre substrater.
- Oksidbaserede metoder: Kemisk fremstilling af grafenoxid efterfulgt af reduktion. Velegnet til masseproduktion og væskebaserede processer, men materialet har ofte flere defekter end eksfolieret grafen.
Anvendelser
Fordi grafen kombinerer elektriske, mekaniske og termiske egenskaber, er der et bredt spektrum af potentielle og allerede demonstrerede anvendelser:
- Elektronik: Højfrekvente transistorer, fleksibel elektronik og gennemsigtige elektroder til skærme og solceller.
- Energilagring: Superkondensatorer (se linket i oprindelig tekst) og forbedrede batterielektroder pga. høj specific surface area og ledningsevne.
- Kompositmaterialer: Tilføjelse af grafen til polymerer og metaller øger styrke, ledningsevne og varmeledningsevne ved lav masseandel.
- Sensorer: Gas- og biosensorer udnytter grafens store overflade og følsomhed over for overfladeadsorption.
- Membraner og filtrering: Atomtynde membraner med kontrollerede porer kan separere molekyler og ioner — anvendeligt til vandrensning og gas-separation.
- Overfladebehandlinger og belægninger: Korrosionsbeskyttelse, varmeafledning og antistatiske lag.
- Biomedicin: Drug delivery, diagnostiske sensorer og vækstunderlag i cellekultur — dog kræver sikkerhedsvurdering.
Opdagelse, forskning og pris
Som nævnt i den oprindelige tekst blev Nobelprisen i fysik i 2010 tildelt for eksperimenter med grafen. De oprindelige eksperimenter demonstrerede, at man kunne isolere og måle enkeltlag grafen og vise dets usædvanlige elektroniske egenskaber. Siden da har forskningen udvidet sig til at forstå elektrontransport, optiske fænomener, mekaniske egenskaber og brug i komplekse heterostrukturer (stabler af forskellige 2D-materialer).
Udfordringer og begrænsninger
Selvom grafen har stort potentiale, er der praktiske og videnskabelige udfordringer:
- Skalering: Produktion af høj-kvalitets, fejlfri grafen i industrielt relevante mængder er fortsat udfordrende.
- Integration: At indarbejde grafen i eksisterende elektroniske processer og materialer kan være komplekst.
- Defekter og variation: Fremstillingsmetoder introducerer ofte defekter, urenheder eller oxidegrupper, som ændrer egenskaberne.
- Sikkerhed og miljø: Langtidseffekter af nanomaterialer i miljø og sundhed kræver yderligere undersøgelser.
Fremtiden
Fremtidig forskning fokuserer på bedre fremstillingsmetoder, kontrol af elektroniske egenskaber (fx via dopning eller twist-vinkler), integration i kommercielle produkter og forståelse af interaktioner med biologiske systemer. Kombinationen af grafen med andre 2D-materialer (som transition metal dichalcogenider) åbner for nye funktionelle heterostrukturer med skræddersyede egenskaber.
Grafen er derfor både et paradigmeeksempel på, hvordan et enkelt atomtykt materiale kan give nye fysiske fænomener, og en praktisk byggesten i udviklingen af næste generations materialer og enheder.
Grafen er et honningkagegitter i atomskala, der består af kulstofatomer.
Grafenoxid
Et internationalt hold fra University of Manchester har fremstillet en membran af grafenoxid. De viste, at den blokerede mange gasser og væsker, men lod vand passere. Sir Andre Geim sagde: "Heliumgas er svært at stoppe. Den slipper langsomt ud selv gennem et millimeter-tyndt vinduesglas, men vores ultratynde film blokerer den fuldstændigt. Samtidig fordamper vand uhindret gennem dem. Materialer kan ikke opføre sig mere mærkeligt".
Nyeste idé
Membraner af grafen vil være ret gode kuglestoppere. Forskning viser, at et atomtyk lag absorberer et slag bedre end stål. Forskningsholdet foreslår, at kombinationen af grafen med et eller flere andre materialer for at danne en komposit kan være vejen frem.
Grafen-batterier
1. Intern struktur
Den interne struktur i et grafenbatteri ligner meget den interne struktur i et standard litium-ion-batteri. Der er to elektroder og en elektrolytopløsning, som muliggør ladningsstrømmen. Forskellen er, at en af elektroderne i grafenbaserede batterier, for det meste katoden, er erstattet af et hybridkompositmateriale (faststofmetal + grafen), der anvendes i stedet for et standard faststofmetal.
2. Fordele
Mindre, slankere batteri: Grafen er et todimensionelt materiale og består kun af et enkelt lag af atomer. For at forstå dette bedre kan man sige, at når man lægger 3 millioner lag grafen oven på hinanden, får man en tykkelse på 1 mm. Det betyder, at grafen vil gøre det muligt for smartphones at blive slankere end nogensinde før og give mere plads til yderligere elektronik og gøre det muligt at placere batterier med højere kapacitet.
Højere kapacitet: Grafen har en højere energikapacitet for samme størrelse sammenlignet med lithium-ion-batterier. Mens lithium-ion-batterier er kendt for at kunne lagre op til 180 Wh pr. kg, kan grafenbaserede batterier lagre op til 1 000 Wh pr. kg. Så en grafenbatteripakke af samme størrelse har en højere opladningskapacitet end lithium-ion-batterier eller andre almindeligt anvendte batterier.
Hurtigere opladningstider: Grafen er en fremragende leder af elektricitet. Dens todimensionelle honeycomb-struktur giver ingen modstand mod elektronernes strømning. Så det kan oplades hurtigt og giver også større udholdenhed sammenlignet med lithiumionbatterier.
Graphene-patenter
Opfindelsen af grafen har ført til mange patenter for dets praktiske anvendelse. I 2013 var resultatet:
- Kinesiske enheder: 2,204
- enheder i USA: 1,754
- Sydkoreanske enheder: 1,160
- Enheder i Det Forenede Kongerige: 54
Den sydkoreanske elektronikgigant Samsung er den virksomhed, der har flest grafenpatenter til sit navn.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er grafen?
A: Grafen er en af formerne for kulstof med en todimensionel honeycomb- eller "hønsetråd"-struktur, der består af kulstofatomer og deres bindinger.
Spørgsmål: Hvordan er grafen beslægtet med grafit?
A: Grafit består af mange grafenplader stablet sammen - tre millioner grafenplader stablet sammen til grafit ville kun være en millimeter tykt.
Spørgsmål: Hvem opfandt udtrykket "grafen"?
A: Udtrykket "grafen" blev opfundet som en kombination af grafit og endelsen "-ene" af Hanns-Peter Boehm i 1962.
Spørgsmål: Hvad vandt Sir Andre Geim og Sir Konstantin Novoselov Nobelprisen i fysik i 2010 for?
Svar: Sir Andre Geim og Sir Konstantin Novoselov vandt Nobelprisen i fysik i 2010 "for banebrydende eksperimenter vedrørende det todimensionelle materiale grafen".
Sp: Hvad er nogle af de mulige anvendelser af grafen?
A: Mulige anvendelser af grafen omfatter superkondensatorer.
Spørgsmål: Hvilke andre former eller allotroper findes der af kulstof ud over grafen?
A: Andre former eller allotroper, som kulstof har ud over grafen, omfatter diamanter, grafit, kul, fulleren og kulstofnanorør.
Søge