Flagorna som alla hyllar

Allt började som en lek på fredagskvällarna. De två forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov försökte riva loss så tunna skikt som möjligt från en klump grafit med hjälp av vanlig tejp. Plötsligt insåg de att de hade lyckats få loss ett lager av kolatomer som var så tunt att det egentligen inte borde kunna existera i rumstemperatur. När de undersökte materialet noggrannare upptäckte de att det hade märkliga egenskaper.

De publicerade sina resultat i tidskriften Science år 2004, och bara sex år senare fick de Nobelpriset. Den rekordsnabba utnämningen tyder på att förväntningarna på det nya materialet var ovanligt stora. Många forskare runt om i världen hade också påbörjat analyser av den superstarka, tvådimensionella kolstrukturen.

Grafen är 200 gånger starkare än stål, styvare än diamant och samtidigt extremt tunt, töjbart och elektriskt ledande. Det är några av skälen till att materialet förväntas bidra till utvecklingen av elektronik som är tunnare, lättare, snabbare och dessutom böjbar – exempelvis rullbara bildskärmar, sensorer insydda i kläder och genomskinliga solceller. Grafen tros också kunna ge bättre energiteknik och nya skräddarsydda läkemedel. Kolstrukturen är naturligtvis även intressant för flygplansindustrin, som ständigt är på jakt efter starkare och lättare kompositmaterial.

Därför satsas nu enorma summor på forskning och utveckling av materialet. Sedan två år tillbaka driver EU det så kallade Flaggskeppet för grafen, med en budget på över 500 miljoner kronor. År 2016 fortsätter satsningarna inom EU-programmet Horizon 2020 med drygt 400 miljoner kronor per år. I Sverige finns även möjlighet att söka medel från det statliga, strategiska innovationsprogrammet SIO Grafen. Målsättningarna är tydliga: forskningen ska resultera i nya grafenbaserade produkter redan om två år i Sverige och inom tio år i EU.

Men kommer tidsplanerna att hålla? Det beror på vilken teknik det handlar om, menar Jari Kinaret, professor i tillämpad fysik vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg och ledare för EU:s flaggskeppssatsning.

– Sportutrustning med grafenkompositer finns redan på marknaden, i exempelvis tennisracketar, slalomskidor och cykelhjul. Näst på tur är troligen mer avancerade kompositer, som utnyttjar andra egenskaper hos grafen än styrka och låg vikt, som termisk och elektrisk ledningsförmåga, säger Jari Kinaret.

Det som gör grafen så användbart är materialets egenskaper på molekylnivå. Kolatomerna sitter sammanfogade i ett nät av sexhörningar, som ett hönsnät. Grafennäten, eller skikten, finns inuti naturlig grafit i lager på varandra, svagt hopbundna av den så kallade van der Waals-kraften. Genom att separera grafenskikten – som är en miljon gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå – får man fram den ultratunna kristallstrukturen. Eftersom strukturen är så förutsägbar, med flera lika stora hål bredvid varandra, är det relativt enkelt att blanda in andra material i grafenet.

Egenskaperna är värdefulla bland annat för utvecklingen av miljöbilar, berättar Etienne Quesnel, materialexpert vid den franska myndigheten för alternativ energi och atomenergi, CEA, och ansvarig för Flaggskeppets arbetsprogram Energi.

– Om marknaden för elbilar ska bli riktigt stor krävs batterier med mycket högre energitäthet och nära fördubblad kapacitet. Och bränslecellerna i vätgasdrivna bilar behöver alternativ till platina, inte minst av kostnadsskäl. Jag tror att grafen blir helt avgörande för att få fram nya anoder med tillräckligt hög kapacitet, säger han.

I praktiken handlar det exempelvis om att ersätta konventionella grafitanoder i litium-jonbatterier med anoder av grafen tillsammans med kisel eller tenn. Studier inom ramen för Flaggskeppet har visat att nanopartiklar av kisel eller tenn som blandats med grafen kan höja anodkapaciteten två till tre gånger. Även katoder med grafen i har visat sig nå högre kapacitet än konventionella katoder, vilket i slutänden kan ge kortare laddningstid för batterierna.

Ett industriellt avstamp mot snabbare laddning av batterier har gjorts av det lilla amerikanska företaget Sinode systems i Chicago, som tagit fram en tillverkningsmetod för kisel-grafen-kompositanoder. I augusti förra året meddelade företaget att man inlett ett samarbete med en av världens största tillverkare av kemikalier för halvledare, platta bildskärmar och LED. Än så länge har dock inget av bolagen rapporterat om någon storskalig industriell produktion av anoderna.

Ett annat lovande arbete för att använda grafen till bättre energilagring pågår vid Kaliforniens universitet UCLA i Los Angeles. Forskarna har tagit fram en metod för att tillverka grafen-filmer för superkondensatorer, som lagrar energi i elektronikkretsar. Metoden går i stora drag ut på att lägga grafitoxid på en dvd-skiva och sätta in den i en dator där disken bearbetas med IR-laser. Laservärmningen separerar grafenskikten ur grafitoxiden och skapar böjbara grafenskivor. Dessa kan sedan användas direkt i tillverkningen av kondensatorerna, som får högre energitäthet än konventionella kondensatorer.

Många stora elektronikföretag – som Alcatel, Samsung, Ericsson, Nokia och Plastic logic – studerar möjligheterna med grafen, vilket tyder på ett stort intresse. Inom området optoelektronik (där ljus ersätter el) tror Andrea Ferrari, professor i nanoteknik vid University of Cambridge, att de första genombrotten blir snabbare lasrar, modulatorer och genomskinliga, böjbara fotodetektorer – inom fem till tio år. Men då handlar det främst om utvecklingsframsteg och tillverkning i mindre serier.

Andrea Ferrari får medhåll av Jani Kivioja, chef för nanomaterial hos Nokia technologies, som menar att grafen är det naturliga valet vid utveckling av böjbar elektronik. Bland annat för att materialet kan användas i allt från likströmskomponenter till komponenter som arbetar med mycket höga frekvenser.

Nålsögat på vägen mot en storskalig produktion av grafenprodukter är själva utvinningen av grafenet. Att ta fram mindre bitar för tillverkning av exklusiv sportutrustning, som inte är så priskänsligt, är en sak. Men om grafen ska användas i storskalig tillverkning av elektronikkomponenter ställs andra krav – grafenet måste då vara av stabil kvalitet och finnas att köpa i tillräckligt stor mängd till ett relativt lågt pris.

– Det finns fortfarande inget sätt att massproducera grafen på ett kostnadseffektivt sätt. Att få fram nya produkter med de önskvärda egenskaperna kan nog ta ytterligare 20 till 40 år. Men det är inget unikt – utvecklingen av kiseltransistorn tog runt 60 år, säger Andrea Ferrari, som även är ansvarig för Flaggskeppets arbetsprogram Optoelektronik.

Att tillverka grafen är egentligen inte svårt – det visar inte minst Nobelpristagarnas fredagskvällsexperiment. Men tejp ger inga stora mängder – utmaningen är att hitta en teknik som håller för storskalig produktion. En tillverkningsprocess som anses lovande är så kallad shear exfoliation, testad av professor Jonathan Coleman vid Trinity college i Dublin.

Tillsammans med sina kolleger blandade Jonathan Coleman grafit och rengöringsmedel i en vanlig köksmixer och körde den på olika hastigheter under olika lång tid. Resultaten visade bland annat att mängden producerad grafen ökar kraftigt med den mixade volymen, vilket lovar gott inför en mer storskalig produktion. Som mest lyckades de framställa 0,15 gram grafen per timme.

Flera tillverkningsprocesser som studeras runt om i världen handlar om exfoliering, det vill säga olika sätt att ”dra isär” grafenskikten ur grafiten. Utöver tejp och mixning finns metoder där grafenet skakas loss med hjälp av ultraljud, eller tas fram genom kemisk reduktion av grafitoxid. Den mesta grafen som går att köpa i dag är tillverkad genom exfoliering och lämpar sig bäst för kompositmaterial.

Forskare på Chalmers har visat med livscykelanalyser att processen med ultraljud är bättre för miljön än kemisk reduktion. Den är mindre energikrävande. Men för att sedan få loss grafenet krävs lösningsmedel.

– I det patent som beskriver processen föreslås bland annat dietyleter, som är en vanlig industrikemikalie. Användning av det organiska lösningsmedlet är standard inom kemiindustrin, så jag har svårt att se att det skulle bli någon utmaning utöver det vanliga. Det är förstås bra att återvinna lösningsmedlet, säger Rickard Arvidsson, doktor i miljösystemanalys på Chalmers.

Andra framställningsmetoder som anses mer lämpade för tillverkning av grafen till elektronikkomponenter är kemisk ångdeposition och sublimering (förgasning) av kiselkarbid. Här handlar det om att värma loss grafenet, som sedan sprids i ett tunt lager över en större yta. Värmningen sker i någon form av ugn upp till minst 1 000 grader Celsius, vilket kräver stora mängder energi.

I satsningarna på grafenforskning ingår även att undersöka risker för människor och miljö. I vissa former och blandningar kan grafen behöva hanteras med försiktighet, på samma sätt som nanomaterial. Professor Bengt Fadeel vid Institutet för miljömedicin på Karolinska institutet i Solna leder en forskargrupp som ska studera vilken inverkan grafen kan ha på människors hälsa, exempelvis kroppens immunförsvar.

Det är ingen enkel uppgift att kartlägga alla risker med ett material som knappt har börjat tillverkas. Till svårigheterna hör att grafen kommer att förekomma i många olika varianter – och blandas med många andra typer av material. De olika materialtyperna, som dessutom varierar i omfång från mikrometersmå flagor till kvadratmeterstora ytor, beter sig olika i växelverkan med biologiska system. Allt detta påverkar materialets giftighet.

– Forskning om giftigheten hos nanomaterial har ju pågått i ungefär tio år, så där har vi en hel del erfarenheter som vi kan dra nytta av. Vi har tidigare visat att vita blodkroppar kan bryta ner kolnanorör på enzymatisk väg, och nu vill vi studera om kroppens immunförsvar även kan bryta ner grafen, säger Bengt Fadeel.

Annat som måste undersökas är hur proteiner och dna binder till grafen. I nuläget, med den begränsade kunskap som finns, menar Bengt Fadeel att det viktigaste är att vara försiktig vid all hantering av materialet, att exempelvis ha slutna system vid produktionen, så att människor inte ska andas in grafendamm.

Många påpekar att kompositer och materialblandningar är besvärligt att återvinna, och att det därför är klokt att tänka sig för innan man börjar framställa sådana blandningar med grafen. Flaggskeppsledaren Jari Kinaret tycker dock att riskerna måste balanseras mot den mängd material det handlar om.

– I exempelvis pekskärmar, med enskilda grafenlager, blir materialåtgången minimal. Om alla pekskärmar som årligen säljs i världen baserades på grafen skulle man behöva cirka 60 kilo kol till produktionen. Vid en enda bilresa tur-och-retur Göteborg–Stockholm används mer kol än så, säger Jari Kinaret.

Små mängder av grafen på många olika ställen verkar alltså vara något vi kan förvänta oss. Det ger också en del av svaret på frågan om grafenets industriella potential: kan materialet bli den nya storindustri som många hoppas på? Svaren från grafensatsningarnas företrädare är tvekande.

– Det kommer inte att handla om en enda, ny storindustri, utan främst om många nya möjligheter i anslutning till redan befintliga verksamheter, säger Fredrik Hörstedt, vicerektor på Chalmers och vd på Chalmers industriteknik.

Jari Kinaret tror på nya samarbeten mellan kemi-, läkemedels- och materialindustrier:

– Om man exempelvis kan integrera sensorer i textilier på ett mer omfattande sätt än i dag, så kan textilindustrin hitta nya beröringspunkter med medicinsk teknologi.

Kemiföretaget Perstorp har tidigare berättat om sina förhoppningar att kunna utveckla nya, bättre katalysatorer, ny separationsteknik, ytbehandling och nya flamskyddsmedel med hjälp av grafen. ABB hoppas i sin tur att materialet kan bidra till utvecklingen av smarta elnät. Men inget av företagen har i dagsläget något mer konkret att säga om detta.

Den tillämpning som ligger allra längst bort är datorer baserade på grafen, menar Jari Kinaret, som även varnar för att skapa en felaktig hajp kring materialet. Rubriker som ”Grafen ersätter kisel” eller ”Grafen ersätter stål” avfärdar han som helt orealistiska.

– Grafen kommer inte att ersätta kisel som det dominerande materialet inom elektronik; det finns varken anledning eller möjlighet till det. Men grafen kan komplettera kisel i vissa tillämpningar där egenskaper som genomskinlighet, böjbarhet eller extrem snabbhet efterfrågas.

Det riktigt stora genombrottet kanske kommer inom något helt oväntat område, tillägger han:

– Vem skulle ha gissat att två av laserns viktigaste användningsområden var att ersätta stålnålen i en grammofon, eller att möjliggöra bredbandsnätet? Grafens motsvarande tillämpningar kan kanske bli i membran för gasseparation, i sensorer, bränsleceller eller inom medicinen.