Starkast & tunnast

Något av det allra hetaste inom materialforskning just nu är grafen (som uttalas med betoning på sista stavelsen). Hade grafenforskning varit en fotbollsspelare hade det kostat hundratals miljoner kronor att köpa över spelaren till laget. Vore den en film skulle den vara storfavorit vid Oscarsgalan. Men i verkligheten är grafen något så enkelt som ett tunt, tunt lager av vanligt kol. När du skriver med en blyertspenna skrapas det bort mängder av kol från stiftet, och en del av dem är skikt som är endast en atom tjocka, vilket är precis vad grafen är – ett enda atomlager med kol. Grafen är det tunnaste och samtidigt starkaste material som vi känner till, och det erbjuder både insikter i fundamental fysik och en rad praktiska tillämpningar, från att förstärka plaster till att revolutionera elektronikindustrin. ###Tejp ett viktigt verktyg Länge trodde man att det skulle vara omöjligt att tillverka så tunna material som grafen. Flera berömda fysiker som ryssen Lev Landau, tysk-britten Rudolf Peierls och amerikanen David Mermin har förutspått att atomtunna material inte kan existera – de skulle oundvikligen buckla sig, rulla ihop sig eller förstöras av vibrationer från värme. Därför var det mer eller mindre en tillfällighet när grafen framställdes för första gången – forskarna bakom upptäckten försökte egentligen hitta på ett nytt sätt att tillverka kolnanorör. Dessa forskare från Manchester lyckades framställa grafen genom att riva bort tunna lager från grafit – samma material som finns i blyertspennor – med hjälp av helt vanlig tejp. Grafit består av miljarder grafenskikt staplade på varandra. Medan krafterna mellan atomerna i samma lager är starka, är krafterna mellan lagren mycket svagare. Därför är det relativt enkelt att dra loss grafenskikt från klumpar av grafit, exempelvis med hjälp av tejp. Än i dag är hushållstejp ett viktigt verktyg när forskare ska tillverka grafen – metoden kallas exfoliering. Sedan upptäckten av grafen år 2004 har forskningen om materialet ökat lavinartat. År 2006 publicerades nästan en vetenskaplig artikel per dag med ordet grafen i rubriken, och sedan dess har det varje år publicerats fler artiklar än alla tidigare år tillsammans. Vem hade gissat att blyertspennor och tejp i kombination skulle leda till ett helt nytt forskningsfält? ###Cern på ett skrivbord Eftersom grafen består av ett enda atomlager kan det ses som ett tvådimensionellt material, som har bredd och djup men saknar höjd. Precis som för nanotrådar – endimensionella material – ger den annorlunda geometrin märkliga och intressanta fysikaliska effekter. En av de mer exotiska egenskaperna är att vissa elektroner i grafen beter sig som om de vore relativistiska partiklar – som om de saknade vilomassa och endast har energi i form av rörelseenergi. Elektronerna rör sig enligt mönster som gäller för partiklar mycket nära ljushastigheten, men för ekvationerna som beskriver elektroner i grafen är denna hastighet omkring 300 gånger långsammare än den vanliga ljushastigheten. I en värld utan Einsteins relativitetsteori skulle sådana masslösa partiklar vara en omöjlighet, men i vår relativistiska värld finns det flera exempel på detta; fotoner är ett. Genom att studera elektroner i grafen är det möjligt att lära sig mer om fenomen som vanligtvis bara uppträder vid extremt höga energier, som vid svarta hål eller i den nya acceleratorn LHC vid Cern, det europeiska kärnforskningslaboratoriet i Genève. Det har gjort att experimentet kallas Cern på ett skrivbord. Eftersom grafen dessutom kan böjas finns det möjlighet att studera de relativistiska effekterna på en krökt yta, vilket skulle kunna ge ledtrådar till kosmologiska gåtor. Det senaste åren har alltmer uppmärksamhet riktats mot möjligheter att utnyttja grafen till elektronikkomponenter. Grafen har exceptionellt bra ledningsförmåga, och framför allt klarar materialet att leda strömmar även i mycket liten skala utan att elektroner sprids eller störs. I dag är elektroniska komponenter baserade på kisel. Tillverkare pressar hela tiden ner storleken på kretsarna för att göra dem snabbare, mindre och energisnålare. Men det finns en gräns för hur små kiselkretsar kan bli utan att kvantmekaniska effekter gör att elektroner börjar bete sig oförutsägbart eller okontrollerbart. Än så länge befinner sig grafenforskningen i sin linda, men förhoppningen är att grafen ska kunna ta elektroniken förbi den gräns där kisel slutar vara användbart. Experiment visar att grafen kan ha möjlighet att fungera effektivt i komponenter som inte är större än några nanometer. Många hoppas att grafenforskningen ska ge nya tillämpningar med extremt högfrekvent växelström och att den höga elektriska ledningsförmågan ska möjliggöra enorma, stabila strömmar med låga förluster. Tidiga resultat visar att det krävs mindre energi än med dagens material för att driva kretsar, och att de betydligt mindre komponenterna kan packas tätare på kretskorten. Även om det är lång väg kvar innan det går att köpa grafenbaserade datorer görs det hela tiden viktiga framsteg. I april förra året passerades en milstolpe, när grafen för första gången användes för att bygga en transistor – en fundamental krets i all elektronik. ###Vild jakt på material Vid KTH och Uppsala universitet arbetar vi (Anna Delin och Olle Eriksson) med teoretiska förutsägelser om hur elektroner i grafen beter sig när materialet har modifierats på olika vis, framför allt med kemiska metoder. När man stör kristallstrukturen i en metall får man vanligtvis sämre ledningsförmåga, men med grafen är det tvärtom. På Ångströmlaboratoriet har våra kolleger inom experimentalfysik skapat hål i grafenstrukturen med syrabehandling. Därmed ökade ledningsförmågan med en faktor 100. Att ledningsförmågan inte förstörs hänger troligtvis samman med de relativistiska effekterna hos elektronerna. Partiklar som rör sig med eller nära ljusets hastighet kan under vissa omständigheter ta sig förbi i princip vilka hinder som helst, något som fått namnet Kleins paradox efter den svenske fysikern Oskar Klein som upptäckte fenomenet. De ojämnheter som skulle ha fått vanliga elektroner att reflekteras eller spridas har alltså ingen som helst effekt på de relativistiska elektronerna i grafen – i stället bidrar störningarna till att fler elektroner frigörs för att leda ström. Det är fler än vi som undersöker vad som händer när man ändrar grafenlager på ett eller annat sätt. Forskningen är inne i en intensiv fas med många vilda idéer om hur det ska göras. En metod som teoretiskt ligger nära till hands är att byta ut enstaka kolatomer mot andra ämnen. Tyvärr har man inte lyckats göra det experimentellt ännu, men beräkningar som vi har gjort visar att det borde vara möjligt att genomföra genom att bombardera grafenflak med exempelvis kvävemolekyler. Många forskare försöker i stället använda teorier för vanliga halvledare, där man helt enkelt byter ut kisel mot grafen, men det är än så länge för tidigt att säga om den metoden leder till bättre eller sämre material än nuvarande teknik. Ytterligare ett område som utforskas är hur formen på grafenflaken påverkar deras egenskaper. Enligt vissa teoretiska förutsägelser kommer grafen i smala remsor att bli magnetiskt, vilket skulle öppna ytterligare möjligheter att utnyttja materialet inom elektronik och sensorer. Tyvärr har ingen av de mätningar som har presenterats hittills bekräftat magnetismen, och det är osäkert om den någonsin kommer att påvisas. Grafenremsor kan dock fortfarande vara intressanta som bas för olika former av kretsar, eftersom begränsningar i formen även påverkar elektronstrukturen i grafen och hur elektroner transporteras. ###Två stora problem Innan grafen kan bli användbart på allvar måste två problem lösas. Det första är att vi måste hitta pålitliga metoder för att bearbeta och förändra materialet – inte grova, långsamma och ofta slumpartade metoder som inte sällan är fallet i dag. Det andra problemet är att vi måste hitta bättre sätt att tillverka stora grafenflak. De metoder som finns för att tillverka någorlunda stora flak – rekordet är på någon kvadratcentimeter – är framför allt för långsamma, eftersom grafenet måste odlas fram under mycket kontrollerade former. Våra kolleger bland experimentalfysikerna har försökt att tillverka stora flak genom att blanda grafit med brom, varpå bromet tar sig in mellan grafenskikten och försvagar bindningarna mellan dem. Genom att sänka ner grafiten i vatten och utsätta den för ultraljud kunde forskarna få grafenskikten att glida isär – men tyvärr rullade skikten ofta ihop sig, och det är ännu oklart hur framgångsrik denna nya syntesmetod är. I stället förlitar sig de flesta forskare på i princip samma enkla tillvägagångssätt som avslöjade de första grafenbitarna, även om det är relativt dyrt och alldeles för tidskrävande att leta upp de värdefulla grafenflaken bland allt kolskräp som skapas från grafit. Men i väntan på bättre metoder är både experimentella och teoretiska forskare hänvisade till penna, papper och lite tejp.