Framtida i en blyantstrek

Når du skriver med blyant, legger du små flak på arket. Noen av flakene i streken er bare ett atom tykke, og kalles grafén. Grafén kan gi oss bedre mobilskjermer, raskere datamaskiner, luktdetektorer og mye mer.

Publisert

Dette superstoffet har altså ligget rett for nesa på de fleste av oss i mange år, bokstavelig talt. Hver gang du satt på skolebenken og krotet i kladdeboka med en blyant, hadde du framtidas superstoff foran deg.

Men det tok noen av verdens fremste forskere og en Nobelpris i fysikk å isolere stoffet.

En blyantspiss avsetter små mengder grafén, som er grafitt i ett atoms tykkelse. Men det tok forskning verd en Nobelpris i fysikk å fremstille grafén kontrollert. I bakgrunnen strukturen til grafén: karbonatomer i sekskantmønster. (Illustrasjon: AlexanderAlUS (modell), Creative Commons, se lisens/Dmgerman (blyant), Creative Commons, se lisens)
En blyantspiss avsetter små mengder grafén, som er grafitt i ett atoms tykkelse. Men det tok forskning verd en Nobelpris i fysikk å fremstille grafén kontrollert. I bakgrunnen strukturen til grafén: karbonatomer i sekskantmønster. (Illustrasjon: AlexanderAlUS (modell), Creative Commons, se lisens/Dmgerman (blyant), Creative Commons, se lisens)

Rotfall i Grey Knotts

Mange tror at det er bly i en blyant, men det er feil. Misforståelsen oppstod for mange år siden, da noe mørkt og glinsende ble funnet i østskråningen til fjellet Grey Knotts i Cumbria i England i 1555.

Legender sier at en tordestorm blåste trær overende, slik at gjeterne i området fikk øye på det mystiske, svarte stoffet i rotfallene. Først trodde de det var kull, men det ville ikke brenne.

At det virkelig var kullstoff eller karbon, men i en mye renere og spesiell form, kunne de jo ikke gjette. Kjemikerne på den tida hadde ennå mye å lære, så stoffet fikk navnet “svart bly”.

Den mørke fargen smittet lett av. Bønder i nærheten brukte derfor stoffet til å merke sauer.

Grey Knotts, Cumbria, Storbritannia (Foto: Mick Knapton, Creative Commons, se lisens
Grey Knotts, Cumbria, Storbritannia (Foto: Mick Knapton, Creative Commons, se lisens

Voktet av kongen

Først på 1600-tallet ble det klart at det “svarte blyet” hadde større verdi. England, Frankrike og Holland ble kolonimakter, og kriget voldsomt i Europa. Landene rustet opp med tidas moderne våpenteknologi, kuler og krutt.

Støpeformene for kuler til kanoner og musketter ble fylt med en kledning av “svart bly”. Stoffet var slitesterkt, og tålte varmen fra det smeltede kuleblyet bra uten å utvide seg.

Det fantes enorme mengder av det “svarte blyet” på Grey Knotts, og verdien steg til himmels. Den engelske kongen tok over driften av gruvene fra tyske immigranter, og lot gruven oversvømme mellom hvert uttak for å hindre tyveri.

Verdens første blyantfabrikk

Klump med grafitt (Foto: U.S House Subcommittee on Energy and Natural Resources)
Klump med grafitt (Foto: U.S House Subcommittee on Energy and Natural Resources)

Likevel klarte noen å smugle ut små stykker, og bruke dem til å skrive med. Rundt 1760 var de første blyantene laget, og i 1832 ble den første blyantfabrikken startet i byen Keswick i nærheten.

Blyanter ble en like het teknologisk nyhet blant den tidas hippe kulturelite som iPad og andre nettfjøler er i dag.

Blyantfabrikken finnes fortsatt, men gruven ble stengt i 1891, fordi fabrikken hadde funnet fram til nye måter å lage blyanter på. Forekomsten av det rene “svart blyet” på Grey Knotts er fortsatt den største i verden.

I dag vet vi at de første gjeterne som fant stoffet faktisk gjettet riktig: Det “svarte blyet” er faktisk kull. Likevel har altså blyanten beholdt sitt misforståtte navn.

Flak av karbon

Men det “svarte blyet” er en spesielt ren form for kull. I motsetning til det svarte trekullet vi strør på grillen, er kullet i blyantspissen små flak av helt rent karbon.

Den tyske geologen Abraham Gottlob Werner kalte stoffet for grafitt, fra det greske ordet graphein, som betyr å skrive. Ordet grafikk har samme opprinnelse.

Karbonflakene i grafitt ligger lagvis oppå hverandre, omtrent som papirark i en bunke. Og som det noen ganger kan være vanskelig å få papirark fra hverandre, slik suges flakene av karbon sammen av elektriske krefter mellom molekylene, såkalte Van der Waals-krefter.

Disse kreftene er ganske svake. Derfor skaller grafittflakene lett av blyantspissen når vi skriver. Og noen ganger blir det rent tilfeldig satt av små enkeltflak i blyantstreken. Disse ser ut som hønsenetting, der karbonatomene danner hjørnene i sekskantene.

Hvem kan skille flakene?

I 1987 satte den tyske kjemikeren Hanns-Peter Boehm navn på slike enkeltflak. Han kalte dem grafén.

Forskerne ønsket allerede tidlig på 1960-tallet å kontrollere denne kløyvingen, og framstille rent grafén. Men det var ikke lett.

I flere år prøvde forskerne å lage grafén ved å skrape grafitt mot andre materialer. Metoden høres primitiv ut, men virket forbløffende bra.

Forskerne klarte på en kontrollert måte å skrape seg ned til bare 100 lag. På 1990-tallet var lagene så tynne at det “svarte blyet” var blitt gjennomsiktig.

Likevel var forskerne langt fra målet. Og noen var pessimistiske. Flak som bare er ett atom tykt, kan ikke kan være stabile. De vil krølle seg, mente forskerne.

Nobelprisvinnere 2010: Konstantin Novoselov (t.v.) og Andre Geim (Foto: Prolineserver (Geim), Wikimedia Commons, se lisens/UnaLaguna (Novoselov))
Nobelprisvinnere 2010: Konstantin Novoselov (t.v.) og Andre Geim (Foto: Prolineserver (Geim), Wikimedia Commons, se lisens/UnaLaguna (Novoselov))

Scotch-tape og Nobelpris

Pessimisme ble vendt til optimisme i 2004. Da klarte fysikerne Konstantin Novoselov og Andre Geim å framstille grafén. De brukte en metode som i navnet låter enda mindre seriøst enn skrapemetoden. Den kalles scotch-tape-metoden.

Forskerne tok grafittflak som alt var gjort tynne med skrapemetoden. Så klistret de dem fast til et limbånd. De foldet limsiden av båndet tilbake over de fastklistrede flakene, og dro dem fra hverandre igjen.

Sluttresultatet var rent grafén – og en Nobelpris i fysikk i 2010 for de to russiskættede forskerne ved University of Manchester.

Hvorfor er så forskerne så begeistret for grafén? Hva gjør stoffet så spesielt?

Turbo-elektroner

Dataingeniørene ser en stor framtid for grafén. Med dette stoffet kan de lage datamaskiner som er mindre og raskere. Grafén har helt spesielle elektriske egenskaper.

Vi er vant til å tenke på elektrisk strøm som noe lynraskt, bokstavelig talt. Men elektroner i vanlige metallledninger går egentlig relativt langsomt når strømmen flyter.

De strømbærende elektronene kan bevege seg fritt mellom atomene i et metall. Men de kan ikke bevege seg så fort de vil.

Elektroner har negativ ladning. Atomene har mistet de frie elektronene, og har derfor positiv ladning. Denne ladningen lager elektriske felt som dytter og drar i elektronene.

I grafén beveger elektronene seg mye raskere. Den elektriske motstanden er også svært lav. Det betyr at grafén kan brukes til å lage mindre og raskere elektroniske kretser i datamaskiner.

Klokkefrekvens til himmels

Et stort problem er kjøling av mikroprosessoren når transistorene i de integrerte kretsene pakkes tett. Her kommer grafén til hjelp.

Den lave motstanden i stoffet gir lavere varmeutvikling. Grafén leder også varme godt, slik at den lille varmen som tross alt lages, lettere kan ledes bort.

I februar 2010 klarte ingeniører fra IBM å lage transistorer av blant annet grafén med en klokkefrekvens på 100 gigahertz. Dette er raskere enn dagens raskeste silisiumtransistorer.

IBM brukte eksisterende produksjonsutstyr for å lage disse transistorene, og det viser at grafén kan erstatte silisium i framtidas datamaskiner. Om ti års tid kan vi trolig få kjøpt datamaskiner med klokkefrekvenser helt opp i teraherz-området, altså ett tusen gigaherz og mer.

Spintronics

Det IBM har gjort, er likevel bare å erstatte silisium med grafén i tradisjonelle databrikker. Grafén har også andre elektriske egenskaper. Disse kan brukes i helt nye konstruksjoner, såkalte spintronics-datamaskiner.

Elektroner kan nemlig ikke bare brukes til å føre elektrisk strøm. De har også en retningsegenskap som kalles “spinn”.

Dette spinnet må ikke oppfattes bokstavelig. Elektronene er ikke små snurrebasser. Våre hverdagsforestillinger bryter sammen i dette mikrokosmos av elementærpartikler.

Men spinnet til elektronet har en retning. Det kan være “opp” eller “ned”. Denne egenskapen kan utnyttes i grafén, og brukes til å lagre data på enda mer effektive måter enn ved tradisjonell dataelektronikk.

Elektronene i grafén beveger seg så raskt, at fysikerne må bruke Einsteins relativitetsteori for å beskrive det som skjer. Det betyr blant annet at fysikerne nå for første gang har et materiale der de i praksis kan studere det som kalles kvantedynamiske effekter.

Gjennomsiktig elektronikk

Flak av grafén er også nesten helt gjennomsiktige.

Det betyr at de kan brukes til å lage elektroniske komponenter der lys skal slippe gjennom.

Berøringsskjermer og vanlige lysdiode (LED)-flatskjermer kan dra nytte av grafén.

Solceller med grafén kan gjøres tynne og bøyelige og spres over store flater.

Lad opp, lad ut

Ultrakondensatorer (Foto: Maxwell Technologies, GNU Free Documentation License)
Ultrakondensatorer (Foto: Maxwell Technologies, GNU Free Documentation License)

Grafén kan også brukes til å lage såkalte ultrakondensatorer.

Ultrakondensatorer kan lades svært fort, og holder på store elektriske ladninger. De kan derfor supplere vanlige batterier i flere sammenhenger hvor rask inn- og utladning er spesielt viktig.

I elektriske biler kan for eksempel såkalte regenerative bremser gi store strømmengder i nedoverbakker. Vanlige batterier kan ha problemer med å svelge unna denne strømmen raskt nok.

Ultrakondensatorer kan derimot sluke ladningen på kort tid, og lagre den til bilen trenger en spurt opp neste bakketopp.

I Kina går det også elektriske trolleybusser i rutetrafikk i Shanghai der ultrakondensatorer lades ved hvert stoppested, slik at bussen klarer seg uten luftledninger.

Kunstige neser

Også gassdetektorer kan lages svært effektive med grafén.

Disse “kunstige nesene” virker ved at gasspartikler fester seg til overflaten av grafénet. Stedet der partiklen fester seg, forandrer elektrisk motstand.

Siden grafén leder strøm så godt, er denne økte motstanden lett å oppdage. Endringen av motstanden kan så identifisere gasspartikkelen.

Kartlegging av gener

En tilpasning av denne metoden kan også brukes til å karlegge arvestoff. I september i år demonstrerte forskere fra Harvard og MIT hvordan DNA-molekyler kan dras gjennom et membran av grafén.

Væsken på hver side av membranet hadde ulik elektrisk spenning. Forskerne registrerte hvordan spenningen over grafénmembranet endret seg etter hvert som DNA-molekylet passerte.

Ved å analysere dette signalet, vil det trolig bli mulig å registrere rekkefølgen av nukleinsyrene.

Dermed vil kartlegging av arvestoff bli så raskt og billig at det kan brukes i rutinemessige diagnoser, håper forskerne.

200 ganger sterkere enn stål

Grafén er også ett av de sterkeste stoffene som finnes. Det tåler 200 ganger større belastninger enn stål. Dermed stiller det i klasse med sine nære slektninger nanorør og såkalte buckyballer.

Et nanorør er intet annet enn grafén rullet sammen til en sylinder. I buckyballen er grafénet krummet til en fotball. Også kegler og andre former finnes. Sammen kalles de fullerener, og har mange av de samme egenskapene som grafén.

Med så mange gode egenskaper er det ikke underlig at trykket har vært stort for å finne måter å lage grafén raskt og billig i store flak.

Pris i fritt fall

Utgangspunktet var elendig. I 2008 var grafén ett av verdens dyreste stoff, med en pris på 600 millioner kroner per kvadratcentimeter.

Året etter var prisen falt til 600 kroner for samme flate, altså en milliondel. Grafén produseres nå i tonnevis, og i ark på tre kvart meter langs hver side.

Scotch-tape-metoden er for lengst forlatt. Nå lages grafén blant annet ved å dampe det på et underlag av metall, for eksempel kobber.

Det fascinerende ved grafén er at stoffet har vært der hele tiden, og rett under nesa vår. Det går en nesten magisk linje fra blyantstreken i kladdeboka til framtidas datamaskiner.

Hvor mange andre slike uoppdagede framtidsteknologier ligger der og venter i hverdagen omkring oss? Den som er nysgjerrig og sta, vil finne det ut. Og kanskje få en Nobelpris.

Lenker

Carbon Wonderland, velskrevet artikkel i Scientific American fra 2008 av bl.a. Nobelprisvinner i fysikk Andre Geim

Nyhetsmelding om IBMs grafénbaserte transistorer, fra MIT, 5. februar 2010

Nyhetsmelding om grafénbasert spintronics, UC Berkeley, 13. oktober 2010

Nyhetsmelding om grafénbaserte solceller, Science Daily, 24. juli 2010

Grafén-baserte ultrakondensatorer, artikkel i tidsskriftet Nanoletters fra 2008 (pdf)

Nettsidene til blyantmuseet i Cumbria, Storbritannia

Om bruk av grafitt i støpeformer, fra tidsskriftet Foundry, september 2003

Pressemelding om nobelprisen i fysikk 2010 fra Nobelprize.org, med lenker videre

Nettsiden til firmaet Sinautec, som lager busser med ultrakondensatorer. Video som viser prinsippet i praksis.