Hvis du har vært i nærheten av et vitenskapelig tidsskrift det siste tiåret eller så, vil du ha kommet over en form for superlativ om grafen – det todimensjonale vidundermaterialet som lover å forvandle alt fra databehandling til biomedisin.
Det er mye hype om grafens applikasjoner, takket være en håndfull bemerkelsesverdige egenskaper. Det er 1 million ganger tynnere enn et menneskehår, men 200 ganger sterkere enn stål. Den er fleksibel, men kan fungere som en perfekt barriere, og er en utmerket leder av elektrisitet. Sett alt dette sammen, og du har et materiale med en mengde potensielt revolusjonerende bruksområder.
Hva er grafen?
Grafen er karbon, men i et ettatoms tykt bikakegitter. Hvis du strekker deg tilbake til dine gamle kjemitimer, vil du huske at materialer som utelukkende består av karbon kan ha drastisk forskjellige egenskaper, avhengig av hvordan atomene er ordnet (ulike allotroper). Grafitten i blyanten din er for eksempel myk og mørk sammenlignet med den harde og gjennomsiktige diamanten i forlovelsesringen. Menneskeskapte karbonstrukturer er ikke annerledes; den kuleformede Buckminsterfulleren virker annerledes enn de kveilede arrangementene til karbon-nanorør.
Grafen er laget av et ark med karbonatomer i et sekskantet gitter. Av de ovennevnte er det nærmest grafitt i form, men mens det materialet er laget av todimensjonale ark av karbon holdt lag på lag av svake intermolekylære bindinger, er grafen bare ett ark tykt. Hvis du var i stand til å skrelle et enkelt, ett atom-høyt lag med karbon fra grafitt, ville du ha grafen.
De svake intermolekylære bindingene i grafitt får den til å virke myk og flakete, men selve karbonbindingene er robuste. Dette betyr at et ark som utelukkende består av disse karbonbindingene er sterkt – omtrent 200 ganger mer enn det sterkeste stålet, samtidig som det er fleksibelt og gjennomsiktig.
Grafen har vært teoretisert i lang tid, og tilfeldigvis produsert i små mengder så lenge folk har brukt grafittblyanter. Dens viktigste isolasjon og oppdagelse er imidlertid festet til arbeidet til Andre Geim og Konstantin Novoselov, i 2014 ved University of Manchester. De to forskerne skal ha holdt "fredagskveldseksperimenter", hvor de testet ideer utenom dagjobbene. Under en av disse øktene brukte forskerne scotch tape for å fjerne tynne lag med karbon fra en grafittklump. Denne banebrytende forskningen førte til slutt til kommersiell produksjon av grafen.
Etter at de vant Nobelprisen i fysikk i 2010, donerte Geim og Novoselov bånddispenseren til Nobelmuseet.
Hva kan grafen brukes til?
En viktig ting å merke seg er at forskere utvikler alle slags materialer basert på grafen. Dette betyr at det sannsynligvis er bedre å tenke på "grafener", på samme måte som vi tenker på plast. I hovedsak har fremkomsten av grafen omfanget til å føre til en helt ny kategori av materiale, ikke bare ett nytt materiale.
Se relatert Hva er turbulens? Å løse opp et av fysikkens million-dollar-spørsmål «Diamantregn» funnet på Uranus har blitt gjenskapt på jorden – og det kan bidra til å løse vår voksende energikrise. Kvantedatabehandling blir myndigNår det gjelder bruksområder, forskes det på så vidtgående områder som biomedisin og elektronikk til plantevern og matemballasje. Å være i stand til å modifisere overflateegenskapene til grafen, for eksempel, kan gjøre det til et enestående materiale for medikamentlevering, mens materialets ledningsevne og fleksibilitet kan innlede en ny generasjon berøringsskjermkretser eller sammenleggbare bærbare enheter.
Det faktum at grafen er i stand til å danne en perfekt barriere for væsker og gasser betyr at det også kan brukes med andre materialer for å filtrere et hvilket som helst antall forbindelser og elementer – inkludert helium, som er en usedvanlig vanskelig gass å blokkere. Dette har en rekke bruksområder når det kommer til industri, men kan også vise seg å være svært nyttig for miljøbehov rundt vannfiltrering.
De multifunksjonelle egenskapene til grafen åpner dørene for en enorm mengde komposittbruk. Mens det har gått mye inn i hvordan det kan øke allerede eksisterende teknologier, vil kontinuerlige fremskritt på feltet til slutt føre til helt nye områder som tidligere ville vært umulige. Kunne vi se en helt ny klasse av romfartsteknikk dukke opp? Hva med augmented reality optiske implantater? Fra det ser ut, er det 21. århundre når vi finner ut av det.