Professor Helge Weman ved Norges teknisk-vitenskapelige universitet har vært sentral i utviklingen av UV LED i CrayNano. Her i arbeid i nanofotonikk-labben. (Foto: Terje Heiestad)
Hva kan grafén brukes til?
Norske forskere bruker grafén til alt fra desinfisering til kreftbehandling. Er det bare fantasien som setter grenser for hva materialet kan brukes til?
Mens IT-forskere og forbrukere er opptatt av 3D i alt fra TV og spill til Virtual Reality, er forskere ved Sintef, NTNU og Universitetet i Oslo opptatt av materialer i 2D.
Det vil si materialer som bare er et atom tykke. Det mest kjente er grafén.
Grafén er sterkt, lett, gjennomsiktig og en god strøm- og varmeleder. Det består av ett lag karbonatomer i et sekskantmønster.
Oppdagelsen av hvordan du kan lage et flak av karbonatomer sikret de to fysikerne Andre Geim og Konstantin Novoselov Nobelprisen. Grafén er kalt et supermateriale med egenskaper som forskere verden over jobber med å utnytte.
En av de første kommersielle tingene det ble brukt til er LED-lys der lyskilden er dekket av et lag grafén for å lede bort varme og dermed øke levetiden til LED-pæren.
Men det finnes nærmest uendelig mange muligheter for hva materialet kan brukes til.
Superfølsomt instrument
Grafén
Grafén består av bare ett lag av karbonatomer ordnet i et sekskantmønster. Materialet er gjennomsiktig, leder strøm og varme svært godt og skal være det tynneste og sterkeste materialet som noensinne er laget.
Grafén ble oppdaget av fysikerne Andre Geim og Konstantin Novoselov i 2004. De fikk senere Nobelprisen i fysikk i 2010 for «groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene».
Forskerne Ozhan Koybasi og Branson D. Belle ved Sintef vil bruke graféns unike elektriske egenskaper til å måle stråling svært nøyaktig. Dersom de lykkes kan helsepersonell få bedre kontroll av strålingsmengden i medisinsk utstyr som CT.
Teknologien vil også gjøre dosimetrene mye mer nøyaktige. Dosimetre brukes blant annet til å se hvor mye stråling en pasient får ved kreftbehandling og hvor mye stråling personell utsettes i løpet av arbeidsdagen, enten det er i en kreftavdeling eller ved et kjernekraftverk.
Mange av dagens strålingsdetektorer er laget av halvledere, samme type materialer som brukes i all elektronikk. Men de har liten følsomhet for å måle svak stråling. Et lag med grafén oppå halvlederen kan forbedre egenskapene dramatisk.
Virkemåten er slik:
Når et foton av røntgenstråling treffer halvlederen, frigjøres elektroner som flytter over i grafénlaget. Der setter de opp en målbar strøm. Dermed er det mulig å måle posisjonen og energien til fotonene og hvor mange det er av dem med mye større nøyaktighet enn med dagens metoder. For å beskytte det tynne grafénlaget legger forskerne på et gjennomsiktig lag av et isolerende materiale over og under, før det legges på halvlederen.
– Grafén er ikke et modent materiale ennå, og vi må finne ut hvordan grafén kan legges på ulike halvledere uten å ødelegge de gode egenskapene. Når vi har fått det til for røntgenstråler, vil vi utvikle detektorer også for andre typer fotoner, sier Koybasi.
Branson Belle laster inn en grafénprøve på Nanolab ved Norges teknisk-vitenskapelige universitet. (Foto: Sintef)
Beveger seg inn i 2D-universet
Den omfattende forskningen på grafén åpner veien for en utvikling av en rekke andre 2D-materialer, blant dem forbindelser med grunnstoffet bor.
– Bornitrider er en familie 2D-materialer som er isolatorer i motsetning til grafén som er et halvmetall. Mellom de to ytterpunktene finnes mange andre 2D-materialer. Den fundamentale forskningen går mot hvordan grafén kan kombineres med disse materialene. Vi er i ferd med å bygge opp en ny klasse materialer som ikke finnes i naturen, sier Belle.
Forskere ved NTNU, i samarbeid med selskapet CrayNano, er også i ferd med å utvikle LED-teknologi med UV-stråling.
UV-stråling brukes nemlig til å sterilisere medisinsk utstyr og til å rense vann, uten å bruke kjemikalier eller antibiotika.
– UV-lys ødelegger DNA i bakterier og virus og dreper dem uten bruk av kjemikaler eller antibiotika. Det går ikke an å bli resistent mot lys og det er spådd en voldsom vekst i desinfeksjon med UV-lys både på sykehus og i vannrensing og luftrensing, sier daglig leder Morten Frøseth i CrayNano AS.
LED har blitt dagligdags i lamper og dataskjermer, men det har vært vanskelig å utvikle effektive LED for ultrafiolett lys. Ved å bruke grafén kan CrayoNano lage LED som lyser mye sterkere enn dagens UV-LED.
Ved Universitetet i Bergen jobber førsteamanuensis Mihaela Roxana Cimpan og hennes gruppe med en ny klasse partikler til kreftbehandling sammen med Norsk institutt for luftforskning og partnere i Polen og Romania i et europeisk prosjekt.
Partiklene er magnetiske og bare noen nanometer store. En nanometer er en milliarddels meter. Overflaten blir dekket av flere lag grafén der det er satt på antistoffer som kjenner igjen kreftcellene.
– Slike multifunksjonelle nanopartikler har et stort potensial i kreftbehandling tilpasset den enkelte pasient. Fordelen med å bruke grafén på overflaten er at den gir en tett dekning av den magnetiske kjernen og beskytter kjernen mot oksidasjon, forklarer Cimpan.
De magnetiske partiklene gjør kreftsvulsten synlig når pasienten undersøkes i en MR-maskin. En annen variant av partiklene skal kunne brukes til å avlevere medisin rett i kreftsvulsten. Partiklene skal først prøves ut på lungekreft hos forsøksdyr.
Gruppen i Bergen som jobber på GEMNS-prosjektet. Fra venstre: Thomas Hare, Ivan Rios-Mondragon, Mihaela Roxana Cimpan, Melanie Ostermann og Alexander Sauter. (Foto: UiB)
Den hellige gral
Annonse
Til å begynne med er grafén blitt brukt til å erstatte andre materialer der de unike egenskapene kommer til nytte. Nå kommer en bølge prosjekter der forskerne vil bruke grafén på anvendelser som andre materialer ikke kan.
– Dette er det hellige gral i grafénforskning. Det blir som da plasten ble utviklet. Menneskeheten visste ikke helt hva det skulle brukes til, men nå er det overalt. For materialforskere er grafén helt unikt, sier Belle.
