Från hajp till verkstad – tio år med ”supermaterialet” grafen

Grafen består av ett enda lager kolatomer och benämns ofta som ett ”supermaterial”. Det är starkt, lätt, böjligt och kan leda såväl el som värme. Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester fick Nobelpriset i fysik 2010 för sina ”grundläggande experiment” med materialet.

Tidigt fanns stora förhoppningar om att grafen skulle leda till tunnare, lättare, starkare och dessutom böjbar elektronik. Även batterier och solceller skulle kunna göras effektivare och billigare med det nya materialet.

För att ta vara på möjligheterna startade EU den tioåriga jättesatsningen Grafenflaggskeppet (Graphene Flagship) som nu går i hamn.

Initiativtagare och den som lett projektet är Jari Kinaret, professor på institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola.

Har grafen levt upp till de stora förväntningar som fanns på materialet för tio år sedan?

– Till största delen, ja. När vi går igenom våra ursprungliga vetenskapliga och teknologiska mål så har vi nått de flesta. Det finns i dag omkring 100 produkter med grafen på marknaden och fler är under utveckling.

– Områden där vi inte nått så långt som vi hoppades från början är inom batteriteknik och digital elektronik. Vi har gjort stora framgångar när det gäller batteriernas energiinnehåll, men däremot har vi inte kunnat förbättra laddningstiden som vi hade hoppats. När det gäller elektronik baserat på grafen så finns det saker som fungerar på labbet men det går inte att tillverka på något vettigt sätt i industriell skala. Däremot finns det andra tvådimensionella material som lämpar sig bra för digital elektronik.

Har det tagit längre tid än du förväntade dig att gå från labb till verkstad?

– Ingenjörer och forskare brukar vara optimister när det gäller den korta tidsskalan. Man tror att bara för att någonting funkar i labbet så kommer det vara på marknaden inom tre, fyra år. Så är tyvärr inte fallet utan det brukar ta mycket längre tid. Det gäller även grafen.

– Däremot underskattar man ofta teknologins betydelse i det långa loppet. Det mest kända exemplet är väl IBM-direktören som trodde att världen bara skulle behöva tre datorer.

Är tillverkningen en av utmaningarna?

– Ja, i fallet med elektronik så behöver en doktorand i renrumslabbet kanske framställa 100 prov för att få fram två som fungerar bra och som resulterar i en forskningsartikel. Akademiskt är det bra men helt irrelevant för industrin. Där måste du kunna tillverka en stor mängd komponenter som alla är likadana med samma kvalitet och som är kompatibel med resten av tillverkningsprocessen.

Kan du ge några exempel på produkter där grafen används i dag?

– De flesta ser vi inte som konsumenter utan de används i industriprodukter. Grafen används bland annat som förstärkningsmaterial. Det finns också exempel på produkter som utnyttjar grafens värmeledande förmåga eller för att göra material brandsäkra.

Kan du nämna några nya produkter som är under utveckling?

– Inom Flaggskeppet arbetar vi till exempel med flygplanstillverkaren Airbus för att motverka isbildning på flygplansvingar. Genom att tillsätta grafen i kompositen som vingen består av blir den ledande och kan värmas upp. Det här ledande skiktet skulle också kunna skydda flygplan mot blixtnedslag. 

– En annan tillämpning, som också råkar vara inom flyg, är att använda en speciell form av grafen, som ser ut som en svamp, för rengöring av luft i flygplanskabiner. Med hjälp av en elektrisk puls på bara någon millisekund värms grafensvampen upp med flera hundra grader och mikroorganismer dör.

– Från början var det här ren grundforskning och min första tanke var att det var skoj men att det inte var av större intresse. Jag är mycket glad att jag hade fel.

Betong nämns ibland som den kanske största potentiella marknaden för grafen. Hur ser du på det?

– Det finns flera tillämpningar där man använder grafen som tillsats. Det går till exempel att använda för inbyggd fuktmätning eller inbyggd uppvärmning. Med en tillsats av grafen går det också att göra starkare betong. Jag vet dock inte hur gångbart det är och det är inget som vi har forskat på inom Flaggskeppet.

Är det något som har överraskat dig under de här tio åren? 

– Något jag imponeras av är hur grafen används inom biomedicin. Nu i somras startade till exempel de första kliniska testerna med mänskliga patienter med en grafenelektrod som hjälper kirurgen att planera hjärnoperationer. En matta av grafen placeras på hjärnan och ger en mycket mer detaljerad bild av vilka områden som är viktiga och vilka områden man kan skära bort utan att göra någon större skada. Det är en tillämpning som jag inte hade kunnat gissa från början. Det är också ett område där jag tror att grafen kommer få stor betydelse i framtiden.

Vad händer nu med forskningen om grafen i Europa?

– Flaggskeppet kommer att fortsätta att segla, men i en annan skepnad. EU-kommissionen lovade från början att stödja projektet med 500 miljoner euro samtidigt som medlemsländerna och andra intressenter skulle bidra med lika mycket. Hittills har EU bidragit med 400 miljoner euro. De 100 miljoner som ”fattas” kommer nu att gå till nya flaggskepsprojekt med start i oktober.

Vi fortsätter också med ett projekt som utvecklar tillverkningsprocesser inom elektronik.

Har pengarna gjort nytta?

– Ett sätt att mäta hur framgångsrika vi varit är att titta på hur många nya företag som startats. Fram till i dag har det blivit 17 spin-off-företag. Dessa har i sin tur tagit in 130 miljoner euro i privat riskkapital vilket motsvarar ungefär 30 procent av det som betalats av europeiska skattebetalare. Om någon är beredd att satsa egna pengar så visar det att det finns en tro på tekniken.

Vad ska du själv göra nu?

– Jag ska flytta till Bryssel och bli chef för en del av EU:s satsning på mikrochip och som kommer att gå under namnet Chips joint undertaking. Men även om jag lämnar grafenvärlden så skulle det inte förvåna mig om grafen delvis kommer tillbaka till mig som ett relevant material för framtidens chip.