Forstærket grafen – et nyt superstærkt materiale

Grafen er det stærkeste kendte materiale – i sin todimensionelle form…

Udvikling af tredimensionelle Grafen strukturer, der kan indgå som et komponent i nye materialer, har vist sig at være meget vanskeligt.

Nu har forskere ved blandt andet Rice University har fundet en ny måde at videreudvikle to-dimensionelle (flade) strukturer af grafen til et tre-dimensionelt og endnu stærkere materiale; forstærket grafen eller opbygget grafen.

Hermed er anvendelses- og udviklingsmulighederne for det super stærke stof grafen pludselig blevet stærkt udvidede.

Forskere over hele verden betragter forstærket grafen som en ‘emerging technology’ og som et af de største gennembrud indenfor materiale-forskning.

Flere taler ligefrem om at grafen er et materiale med så meget potentiale, så det vil komme til at betyde det samme for kloden og dens indbyggere som bronze, jern, kisel/silicium mv. tidligere har gjort.

Grafen – det stærkeste kendte materiale

Grafen (engelsk: Graphene), har været kendt siden starten af tresserne, hvor det første gang blev observeret i elektron mikroskop.

Grafen har tidligere været kendt (teoretisk) som et afledt produkt ved fremstilling af f.eks. grafit, der bla. kendes fra blyanter.

Indtil for nylig har man kun kendt grafen som en afledt to-dimensionel krystallisk kulstof form, (carbon) på et atomart single-layer niveau.

Andre afledte kulstof former er f.eks. diamanter eller grafit.

Grafen er en ekstremt effektiv varme- og elektrisk leder.

Det er den hidtil bedst kendte varmeleder, hvilket gør grafen til nærmest et vidunder materiale for computerindustrien.

Grafen er også beskrevet som det stærkeste kendte materiale på kloden.

Grafen er ca. 200 gange stærkere end det stærkeste stål.

Dette skyldes især et forhold:

Grafen består af ekstremt tætsiddende kulstof atomer, der sidder i et stabilt hexagonalt ‘chicken-wire’ mønster.

Tæthed på et atomart niveau kan udtrykkes med måle-enheden Ångström, efter den svenske videnskabsmand Anders Jonas Ångström.

1 Å (Ångström) svarer til 10-10 meter – eller 1 meter opdelt i 10 billioner dele, hvilket igen svarer til 0.1 nano-meter.

Den atomare tæthed for grafen er 1.42 Å, hvilket er meget tæt. Til sammenligning ligger atomerne i køkkensalt (NaCl) spredt i en afstand af 5.43 Å.

Selvom man siden 1960’erne har været klar over de særlige fysiske egenskaber ved grafen, var det først i 2004 at man for alvor fik studeret materialet.

I 2010 fik Andre Geim og Konstantin Novoselov fra Manchester University Nobel prisen i fysik for deres forskning i grafen.

På vej ud af laboratoriet

Forstærket grafen. Illustration: U.S. Army Materiel Command/WikiMedia.
Illustration: U.S. Army Materiel Command / Wikimedia.

De potentielle anvendelsesmuligheder for grafen i f.eks. produktion af halvledere, elektroniske kredsløb mv. har altid været betragtet som enorme.

Et af de praktiske problemer ved grafen er, at stoffet hidtil kun har kunnet studeres på atomart niveau som et enkelt lag (single layer) kulstof atomer organiseret i et heksagonalt gitter.

Det vil sige, at stoffet grafen hidtil ikke har kunnet studeres og anvendes udenfor laboratorier med adgang til meget kraftige elektron mikroskoper.

Illustrationen til venstre viser et såkaldt SPM billede af grafens atomare overflade struktur.

Målet for forskningen i Grafen har været at finde metoder til at tage skridtet fra den to-dimensionelle single-layer forekomst af Grafen til fremstilling af brugbare Grafen baserede materialer, der kan så at sige kan “rejse Grafen op” i tre-dimensionelle materiale-strukturer.

Det første del-mål har således været at finde metoder til at fremstille Grafen i tilstrækkeligt store mængder på en økonomisk rentabel og effektiv måde, så Grafen kan videreudvikles til nye superstærke materialer.

Grafen findes i primært tre “rene” forekomster; i små (meget små) flager, i tynde (meget tynde) ark og endelig som en bestanddel i en Grafen opløsning.

Forstærket Grafen – en game changer

Forstærket Grafen1 har flere forskellige betegnelser:

3D Grafen, eller Porous, (det kalder forskere hos MIT stoffet),  Doped Graphene, (det kalder mediet The Engineer stoffet), eller Rebar Graphene Foam,  som dem, der har udviklet det selv kalder det.

Forstærket Grafen er Grafen, der så at sige er “rejst op” eller stablet i en 3-dimensionel struktur.

Det vil sige, at grafenen ikke længere er en flad to-dimensionel struktur, der kun er udbredt i en længde og bredde, men som nu består af tre-dimensionelt grafen.

Altså som et egentligt stofligt materiale, der kan bruges til noget udenfor laboratoriet.

1: Betegnelsen Forstærket Grafen er vores egen betegnelse og står for vores egen regning – red.