När kommer grafen att användas allmänt?

Om du läser mycket vetenskaps- och tekniknyheter kan du få intrycket att grafen är bra på allt. Grafen, en form av kol som bara är en atom tjock, har verkligen superlativa elektroniska, optiska och mekaniska egenskaper. Men vissa applikationer som är tänkta för grafen, som i datorer, verkar vara orealistiska. Ändå kan materialet bli en nyckelkomponent i flexibla elektroniska displayer, högenergibatterier och andra produkter.

En modell av strukturen av grafen.

Supersnabb elektronik

År 2004, University of Manchester forskare under ledning av Andrei Geim och Konstantin Novoselov var de första att isolera grafen och testa dess elektriska egenskaper ( pdf ). De gjorde grafen genom att krossa små bitar av grafit och skala bort det med tejp, lager för lager, tills de hade enatomtjocka maskor av kol. För detta arbete vann paret 2010 Nobelpriset i fysik . Grafen, de och andra har hittat, är konstigt. Den uppvisar vad som kallas ballistisk ledning: elektrisk laddning rör sig obehindrat genom materialet - mycket snabbare än i kisel, materialet som används för att tillverka dagens integrerade kretsar.

Tidigt var forskare mycket entusiastiska över möjligheten till grafenberäkning. Men förvänta dig inte att hitta en grafenprocessor i din nästa bärbara dator. Grafen är inte en halvledare, vilket betyder att det inte kan bytas från sitt ledande tillstånd till ett isolerande tillstånd utan att forskare gör mycket mixtrande och pysslar med materialet. Utan ett starkt avstängt tillstånd som matchar deras på, är det osannolikt att grafenbrytare ersätter kisel i digital logik.

Grafens elektriska egenskaper är mycket bättre lämpade för analoga kretsar, den typ som används inom telekommunikation. Till exempel demonstrerade IBM 2011 snabba grafenkretsar av den typ som används i telekomapplikationer.

Starka grejer

Några av grafens bästa egenskaper är mekaniska. Det är flexibelt och stretchigt. 2008 visade forskare vid Columbia University att grafen var det starkaste materialet som någonsin testats. Forskare vid University of Texas i Dallas, under ledning av Ray Baughman , har arbetat för att dra fördel av denna kombination av styrka, flexibilitet och hög konduktivitet i grafen textilier . Grafengarn kan göras till konstgjorda muskler eller kombineras med batterimaterial för att driva bärbar elektronik. Detta dokument förklarar en möjlig design .

En viktig milstolpe för att kommersialisera grafen var att komma bortom den så kallade tejpmetoden som används för att göra högkvalitativa men små flingor av grafen en i taget. 2013 ledde forskare av Rodney Ruoff vid University of Texas i Austin odlade högkvalitativt grafen över stora ytor genom att avsätta kolet från en gas på kopparplåtar under noggrant kontrollerade förhållanden (mer information finns i denna papper ). Det är viktigt: Endast grafen av hög kvalitet visar ballistisk ledning. 2014 visade Samsung hur det kunde växa grafen på en alternativ yta, germanium.

Några av Ruoffs kollegor vid University of Texas i Austin byggde på hans grafentillväxtarbete för att göra robusta, flexibla telekommunikationskretsar. Dessa enheter är tuffa nog att köra över med en bil och kan överleva ett dopp i vatten. Deji Akinwande demonstrerade dessa enheter i en tidning 2013 och har arbetat med Corning och 3M för att skala upp produktionen.

Kraftmöjligheter

Tillämpningar som ligger närmare kommersialisering drar fördel av grafens ledningsförmåga och mekaniska styrka och använder det som ett elektrodmaterial. Den kan fungera som en flexibel ersättning för indium-tennoxid som en genomskinlig ledande elektrod för till exempel pekskärmsskärmar. I september 2014, Cambridge Graphene Center och elektronikföretag Plast logik visade en flexibel display med grafenelektroder .

Att lägga till grafen till batterielektroder kan göra högenergibatterier - vilket kommer att hjälpa bilar att köra längre och få elektroniken att hålla längre mellan laddningarna - mer mekaniskt stabila. 2011 använde forskare vid University of California, Berkeley, grafen för att smörgås och stabilisera tennbatterielektroder. En av dessa forskare, Yuegang Zhang, flyttade därefter sitt labb till Kina i hopp om att kommersialisera detta arbete snabbare. 2014 visade hans grupp vid den kinesiska vetenskapsakademin att grafensmörgåsar stabiliseras svavelelektroder .

Det är forskare vid University of California, Los Angeles utforskar om grafen skulle kunna användas för energilagring i nya typer av superkondensatorer – som skulle ladda mycket snabbare än batterier och hålla lika mycket ström (mer information finns i detta papper .)

Takeaway:

Geim och Novoselovs banbrytande arbete publicerades för bara 11 år sedan, och det är en kort tid inom materialvetenskap. Graphenes fulla genomslag, i tuff flexibel elektronik och bärbara enheter, är fortfarande år borta. Räkna under tiden med mindre utvecklingar, som t.ex en kommande LED-glödlampa vars filament är belagt med grafen för att öka dess livslängd och minska dess energiförbrukning.

Tack till Ron Waldron för denna fråga. Skicka din till [email protected] .

Dölj