Grafen får konkurrens av nya 2D-material

Jens Eriksson lyfter av ett pyttelitet plastlock från ett lika litet kretskort för att visa en av sina sensorer. I ett av hans experiment sitter 32 sådana gassensorer. Tillsammans bildar de en mycket känslig elektronisk näsa som kan lukta sig till spår av specifika cancerformer. Olika ämnen i cancerproverna når sensorytorna och triggar elektriska signaler i mätinstrumentet.

Just de här sensorerna är byggda av grafen, ett material som består av bara ett lager kolatomer och därför kallas tvådimensionellt. I ett annat experiment har han undersökt ett nytt tvådimensionellt material – molybdendisulfid (MoS₂) – som har ännu högre känslighet.

– Känsligare sensorer behövs om du vill detektera till exempel bensen, kvävedioxid eller formaldehyd i luft. Då måste du kunna mäta koncentrationer av ett ämne i ppb, alltså parts per billion eller miljarddelar, och det kan de här sensorerna, säger Jens Eriksson, som är docent i sensor- och aktuatorsystem vid Linköpings universitet.

Gemensamt för tvådimensionella material, 2D-material, är att de framställs som supertunna skikt. Skikten är bara enstaka atomlager tjocka och många av dem leder el och värme ungefär som metaller. De speciella egenskaperna öppnar nya dörrar inom materialutvecklingen. Därför belönades forskarna André Geim och Konstantin Novoselov 2010 med Nobelpriset i fysik för sin framställning av grafen.

Sedan dess har forskningen gått vidare både med grafen och en uppsjö av nya 2D-material.

För ett par år sedan bidrog Jens Eriksson till ett genombrott med molybdendisulfid. Han och forskare vid Chalmers tekniska högskola och Uniwersytet Warszawski i Polen visade att materialet är mycket känsligt för kvävedioxid. Det är en giftig gas som kan förekomma i till exempel garage, lastbilshytter, hem och arbetsplatser. Gasen bildas vid förbränning och kan komma från till exempel fordon. Därför är det viktigt att kunna upptäcka även små mängder av gasen, ifall den läcker ut på fel ställe.

I experimenten skapade forskarna bland annat vassa, sicksackformade kanter på atomnivå i molybdendisulfid. Kanterna är viktiga för att fånga upp de ämnen som ska mätas.

– Flera 2D-material har egenskaper som länge varit eftersträvade för gassensorer. Varenda atom på ytan kan interagera med miljön runtomkring. Det ökar känsligheten och sensorn blir snabbare, säger Jens Eriksson.

Det finns höga förväntningar på vad grund­forskningen inom 2D-material kan leda till. En annan variant som visat framfötterna på senare tid är så kallade MXener – vanligtvis supertunna och starka skikt av hårda karbider som liksom grafen leder el och värme.

Forskningen hittills har visat att MXener kan hjälpa till att förbättra bland annat batterier, katalyser i kemiska processer och datorhöljen för elektromagnetisk avskärmning. 2D-materialet är tunnare, lättare och mindre skrymmande än alternativen. Till exempel skulle nya supertunna batterier kunna integreras i olika produkter, som bilkarosser, och fungera både som kaross och energilagring.

– En fördel med MXener är att de kan varieras nästan i oändlighet, eftersom de framställs av kombinationer av olika material. Det gör att de kan skräddarsys på många sätt, säger Johanna Rosén, professor på avdelningen för materialdesign vid Linköpings universitet.

En gemensam nämnare för MXener är att endast några gram tunna flak eller trådar kan skapa en stor yta. Det gör att det krävs en pytteliten mängd av materialet för att skapa eftertraktade nya egenskaper.

– Hållbarhet är nyckelordet här. De roligaste upptäckterna vi gjort hittills bidrar till att göra något vettigt av koldioxid, som att ta fram nya miljöbränslen, och bättre superkondensatorer för energilagring i till exempel fordon eller elnät, säger Johanna Rosén.

Under 2025 skapade hennes forskargrupp fem nya MXener. Ett av materialen var en kombination av karbider, metall och kol i tunna skikt. Genom att ta bort var tredje metallatom i skiktet blev strukturen som ett hönsnät och förmågan att leda el ökade.

– Vi får hela tiden nya överraskningar när vi testar olika kombinationer av material. Det är som att bygga Lego – vi byter färger, tar bort bitar och gör strukturen tunnare och tjockare, säger Johanna Rosén.

Några ämnen som kan integreras i MXener är magnetiskt järn, rutenium och vanadin. Magnetism behövs till exempel i elektronik och optik. Rutenium används bland annat som katalysator i olika industriprocesser. Vanadin finns i många batterier.

– Om materialen integreras i MXener behövs en mycket liten mängd, vilket gör användningen mer hållbar i längden, säger Johanna Rosén.

Ett hägrande mål är att skapa 2D-material med sällsynta jordartsmetaller, som man vill hushålla med. Därför undersöker forskargruppen nu hur sådana skulle kunna integreras i MXener.

– För oss finns framför allt tre utmaningar – att få fram material som är tillräckligt stabila, går att skala upp i större kvantitet och tillverka på ett hållbart sätt utan stor åtgång av energi eller vatten, säger Johanna Rosén.

Mängden vetenskapliga artiklar om nya 2D-material har ökat stadigt under de senaste åren. Samtidigt är det allt färre svenska forskare som enbart studerar grafen. Kan man säga att nya 2D-material håller på att springa om grafen?

– Nja, jag tycker snarare att grafen är en inspirationskälla för andra 2D-material. Men, visst, de nya materialen har större mångfald, vilket öppnar för fler användningsområden, säger Johanna Rosén.

Även om svenska forskare delvis riktat om sitt fokus mot nya material fortsätter kommersialiseringen av grafenprodukter. Grafenmarknads­rapporten 2026 släpptes i januari och förutspår en fortsatt ökning av den globala marknaden fram till 2030, med en årlig tillväxt på ungefär 20 procent.

Anledningar till detta uppges vara efterfrågan på lätta material, tillväxt i elektronikindustrin, förbättrad batteriteknik för bland annat fordon och forskningsframsteg inom nanomaterial. Några av de största tillverkarna av grafen finns i Kina, Storbritannien, Kanada, Spanien, Italien och Australien. Många av dem producerar grafenpulver för olika tillämpningar.

– Redan för flera år sedan visade man teoretiskt att det finns flera tusen olika 2D-material. Det är därmed naturligt att forskningen förskjuts mot nyare områden än grafen, men det görs absolut fortfarande spännande upptäckter med grafen, säger Johan Ek Weis, grafenexpert vid SIO Grafen och Chalmers industriteknik.

Han menar att utveckling och innovation kring grafen har kommit betydligt längre än för andra 2D-material. Bara runt 100 nya 2D-material har hittills framställts. Bland de mer spännande nämner han MXener.

– Och inom elektronikutvecklingen händer det mycket med TMDC:er, transition metal dichalcogenides. Det är tvådimensionella material som kan förbättra till exempel transistorer, solceller, sensorer och kvantoptik, säger Johan Ek Weis.

Ett annat 2D-material på frammarsch är guldén som upptäcktes i ett labb i Linköpings för ungefär två år sedan. Då lyckades forskarna Lars Hultman och Shun Kashiwaya skapa ark av guld som bara är ett atomlager tjockt. Det hade tidigare varit en utmaning för andra forskare, eftersom guld har en inneboende tendens att klumpa ihop sig.

Upptäckten överraskade. Forskarna hade förberett ett annat experiment där tanken var att belägga ett keramiskt material, titankiselkarbid, med guld för att skapa en kontakt. Men när materialet värmdes till hög temperatur ersattes kiseln av guldet, och resultatet blev titanguldkarbid.

Nästa steg var att etsa ut guldarken ur karbiden. Metoden för det inspirerades av äldre japansk smideskonst där man etsar bort kolrester ur stål med något som kallas Murakamis reagent. Resultaten publicerades i tidskriften Nature Synthesis 2024.

– När vi första gången såg guldén i mikroskopet blev jag väldigt glad. Vi hade arbetat i många år med det, säger Shun Kashiwaya medan han visar sitt labb som har en rad olika experimentugnar, mikroskop och mätinstrument.

De speciella egenskaperna hos guldén öppnar för nya framsteg inom kemisk katalys för att producera vätgas, nya sorters vattenrening och elektronikutveckling. Till exempel finns forskningsresultat som indikerar att guld kan användas för att bryta ner de giftiga PFAS-ämnena. Det skulle kunna användas i nya typer av filter. Dessutom går det att rejält minska mängden guld som används i dagens tillämpningar.

Forskarna tror starkt på de nya möjligheterna. Därför har Shun Kashiwaya nyligen startat ett företag tillsammans med Johanna Rosén och Lars Hultman, för att kommersialisera guldén och andra 2D-material.

– Utvecklingen av de här nya materialen kommer att öka under de närmaste åren. Bland annat hjälper den nya AI-fabriken här i Lin­köping till, säger Johanna Rosén.

I AI-fabriken Mimer kan forskare och företag ingå i en stödorganisation och få hjälp av en superdator för att utveckla nya AI-modeller och påskynda analyser av olika sorters data.

– Nya algoritmer och snabbare beräkningar accelererar forskningen på det här området, säger Johanna Rosén.

Shun Kashiwaya berättar att han har en dialog med några stora elektronikföretag som är intresserade av guldén till sin produktion av halvledare.

– Dessutom blev vi kontaktade av en amerikansk glaskonstnär som vill använda materialet för att skapa gul färg i sina skulpturer. Det var roligt, säger han.

Jens Eriksson i sensorlabbet jobbar vidare med både grafen och andra 2D-material. Ett framsteg för några år sedan gjordes med supertunna skikt av metallen platina. Genom att spreja platinan på kiselkarbid, med ett buffertlager av kol, fick materialet en mycket hög känslighet för olika gaser. På sikt kan det leda till att mindre mängder av den sällsynta metallen behövs i till exempel bilkatalysatorer.

Under senare tid har han även börjat studera sensorer för vätskor, som till exempel skulle kunna upptäcka kemikalier som dioxiner eller PFAS. En fördel med de nya sensorerna jämfört med dagens blir att tiden för analys minskar. Tar det 40 minuter i stället för tre dagar att göra analysen minskar kostnaderna.

– Snabbheten är också viktig av hälsoskäl. Om jag riskerar att bli förgiftad vill jag ju veta det på en gång och inte långt senare, säger Jens Eriksson.