Materialet som ska förändra världen

av Marie Granmar Forum 2015-11, sida 10-12, 21.12.2015

Det superstarka materialet grafen ska ge oss bättre energilagring, böjbara bildskärmar, genomskinliga solceller, nya läkemedel och mycket annat. Ledare för EU:s grafensatsning är svensk-finska fysikprofessorn Jari Kinaret.

Materialet som ska förändra världen

MARIE GRANMAR TEXT X Materialet grafen är 200 gånger starkare än stål, styvare än diamant och samtidigt extremt tunt, töjbart och elektriskt ledande. Det är några av skälen till att det speciella kolmaterialet förväntas bidra till utvecklingen av elektronik som är tunnare, lättare, snabbare och dessutom böjbar. Det kan handla om rullbara bildskärmar, sensorer insydda i kläder och genomskinliga solceller. Dessutom tros grafen kunna ge oss bättre energilagring och nya skräddarsydda läkemedel. Kolstrukturen är även intressant för flygplansindustrin som ständigt är på jakt efter starkare och lättare kompositmaterial.

Helt nya produkter. Just nu sat sas enorma summor på forskning och utveckling av materialet: tiotals miljoner euro per år inom EU:s program Flaggskepp för grafen samt Horizon 2020. Målsättningarna är tydliga: forskningen ska resultera i nya grafenbaserade produkter redan om två år i Sverige och inom tio år i EU.

Håller tidsplanerna? Det beror på vilken teknik det handlar om, menar Jari Kinaret, professoritillämpad fysik på Chalmers tekniska högskola i Göteborg och sedan 2013 ledare för EU:s flaggskeppssatsning Graphene.

”Sportutrustning med grafenkompositer finns redan på marknaden, i exempelvis tennisracketar, slalomskidor och cykelhbjul. Näst i tur kommer troligen mer avancerade kompositer som utnyttjar andra egenskaper hos grafen än styrka och låg vikt - såsom termisk och elektrisk ledningsförmåga”, säger Kinaret som kom till Sverige 1995, men är född i finska Österbotten och tog examen vid Uleåborgs universitet innan han flyttade till USA och doktorerade i fysik vid MIT 1992.

Hönsnätsform. Det som gör grafen så användbart är materi alets egenskaper på molekylnivå. Kolatomerna sitter sammanfogade i ett tvådimensionellt nät av sexhörningar, som ett hönsnät. Grafennäten, eler skikten, finns inuti naturlig grafit i lager på varandra, svagt hopbundna av den så kallade Van der Waals-kraften. Genom att separera grafenskiken - som är en miljon gånger unnare än ett mänskligt hårstrå — får man fram den ultraunna kristallstrukturen. Efersom strukturen är så förutsägbar, med många lika stora hål bredvid varandra, är det relativt enkelt att blanda in andra ämnen i grafenet. Egenskaperna är värdefulla bland annat för utvecklingen av miljöbilar, berättar Etienne Quesnel, materialexpert vid franska myndigheten för alternativ energi och atomenergi, CEA, och ansvarig för Flaggskeppets arbetsprogram Energi. ”Om marknaden för elbilar ska bli riktigt stor krävs batte TUNNARE ÄN ETT PENNSTRECK. Ett pennstreck motsvarar 100 atorlager kol, medan grafen utgör ett enda lager. Professor Jari Kinaret bedriver ledande grafenforskning vid Chalmers.

rier med mycket högre energitäthet och nära fördubblad kapaciet. Och bränslecellerna i vätgasdrivna bilar behöver alternaivtill platina, inte minst av kostnadsskäl. Jag tror att grafen blir helt avgörande för att få fram nya anoder med tillräckligt hög kapacitet”, säger han. I praktiken handlar det exempelvis om att ersätta konventionella grafitanoder i litium-jonbatterier med anoder av isel eller tenn och grafen. Studier inom ramen för Flaggskeppet har visat att nanopartiklar av iseleller tenn som blandats med grafen kan höja anodkapaciteten vå till tre gånger. Även katoder med grafen i har visat sig nå högre kapacitet än konventionela katoder, vilket i slutänden kan ge kortare laddningstid för baterierna.

Ny elektronik. Många stora elekronikföretag - som Alcatel,

Samsung, Ericsson, Nokia och Plastic Logic - studerar möjligheterna med grafen. Inom området optoelektronik (där ljus ersätter el) tror Andrea Ferrari, professor i nanoteknik vid universitetet i Cambridge, att de första genombrotten blir snabbare lasrar, modulatorer och genomskinliga, böjbara fotodetekorer - inom fem till tio år. Me då handlar det främst om utvecklingsframsteg och tillverkning i mindre serier.

Andrea Ferrari får medhåll av Jani Kivioja, chef för nanomaterial hos Nokia Technologies, som menar att grafen är det naturliga valet vid utveckling av böjbar elektronik. Bland annat för att materialet kan användas i allt från likströmskomponenter till delar som arbetar med mycket höga frekvenser.

Nålsögat på vägen mot en storskalig produktion av grafenprodukter är utvinningen av gra fenet. Tillverkningen är egentligen inte svår — det visar bland annat de fredagskvällsexperiment som Nobelpristagarna i fysik 2010, Andre Geim och Konstantin Novoselov, ägnade sig åt i början av 2000-talet. De fickloss tunna grafenskikt ur en klump grafit med hjälp av tejp. Det lämpar sig dock inte för storskalig produktion.

Om grafen ska användas vid storskalig tillverkning av elektronikkomponenter ställs andra krav - grafenet måste då vara av stabil kvalitet, finnas att köpa i tillräckligt stor mängd och till relativt lågt pris.

”Det finns fortfarande inget sätt att massproducera grafen på ett kostnadseffektivt sätt. Att få fram nya produkter med de önskvärda egenskaperna kan nog ta ytterligare 20 till 40 år. Men det är inget unikt - utvecklingen av kiseltransistorn tog runt 60 år”, säger Andrea Ferrari som äve > STORA SATSNINGA sm Sedan två år tillbaka driver EU det så kallade Flaggskeppet för grafen med en budget på 54 miljoner euro. Just nu deltar 142 partners i 23 länder. Från 2016 fortsätter satsningarna inom programmet Horizon 2020 med drygt 40 miljoner euro per år.

s |Sverige kan stora och små företag och forskare söka medel för utveckling och samarbeten genom det statliga, strategiska innovationsprogrammet SIO Grafen. Programmet finansieras av Vinnova, Formas och Energimyndigheten. = Världsmarknaden för elektronik med grafen förväntas vara runt 1,4 miljarder euro (1,5 miljarder dollar) per år 2020, enligt MarketWatch.com.

= |slutet av februari offentliggjorde Flaggskeppet sin första lägesrapport, kallad roadmap. Den drygt 200 sidor tjocka rapporten samlar kunskapen om grafen som hittills framkommit inom flaggskeppssatsningen. Läs mer här: http://pubs.rsc.org/ en/content/articlepdf/2015/nr/ c4nro1i60o0oa

FORUM FÖR EKONOMI OCH TEKNIK NR 11201 är ansvarig för Flaggskeppets arbetsprogram Optoelektronik.

Mixas fram. En tillverkningsprocess som hittills ansetts lovande för större produktion är så kalllad shear exfoliation, testad av professor Jonathan Coleman vid Trinity College i Dublin. Professorn och hans kollegor blandade grafit och rengöringsmedel i en vanlig köksmixer och körde den på olika hastigheter under olika långa tider. Resultaten visade bland annat att mängden producerad grafen ökar kraftigt med den mixade volymen, vilket lovar gott inför en mer storskalig produktion. Som mest lyckades de framställa 0,15 gram grafen per timme.

Flera tillverkningsprocesser som studeras runtom i världen handlar om exfoliering, alltså olika sätt att ”dra isär” grafenskikten ur grafiten. Utöver tejp och mixning finns metoder där grafenet skakas loss med hjälp av ultraljud, eller tas fram genom kemisk reduktion av grafitoxid. Den mesta grafen som går att köpa i dag är tillverkad genom exfoliering och lämpar sig bäst för kompositmaterial, i exempelvis sportutrustning.

Andra framställningsmetoder, som anses mer lämpade för tillverkning av grafen till elektronikkomponenter är kemisk ångdeposition och sublimering (förgasning) av kiselkarbid. Här handlar det om att värma loss grafenet som sedan sprids i ett tunt lager över en större yta. Värmningen sker i någon form av ugn upp till minst 1000 grader Celsius, vilket kräver stora mängder energi.

Miljörisker. I satsningarna på grafenforskning ingår även att undersöka risker för människor och miljö. I vissa former och blandningar kan grafen behöva hanteras med försiktighet, som nanomaterial. Professor Bengt Fadeel vid Institutet för miljömedicin på Karolinska institutet i Solnaleder en forskargrupp som ska studera vilken inverkan gra ELEKTRONMIKROSKOPISK BILD PÅ GRAFENOXID. En makrofag som har

A tagit upp grafenoxid, som ligger ihopknycklat som ett dragspel inuti vakuoler imakrofagen. Trots detta såg Bengt Fadeel på Karolinska institutet inge toxicitet.

fen kan ha på människors hälsa, exempelvis kroppens immunförsvar.

”Vi har tidigare visat att vita blodkroppar kan bryta ner kolnanorör på enzymatisk väg, och vill nu studera om kroppens immunförsvar även kan brytaner grafen”, säger Fadeel.

Många påpekar att kompositer och blandningar av material är besvärliga att återvinna, och att det därför är klokt att tänka sig för innan man börjar framställa sådana blandningar med grafen. Flaggskeppsledaren Jari Kinaret tycker dock att riskerna måste balanseras mot den mängd material det handlar om.

”I exempelvis pekskärmar, med enskilda grafenlager, blir materialåtgången minimal. Om alla pekskärmar som årligen säljs i världen baserades på grafen skulle man behöva cirka 60 kilo kol till produktionen. En enda bilresa tur-och-retur Göteborg-Stockholm använder mer kol än så”, säger Jari Kinaret.

Mångsidig potential. Vi kan vänta oss små mängder av grafen på många olika ställen framöver.

FORUM FÖR EKONOMI OCH TEKNIK NR 112078

Men vad är grafens industriella potential, kan materialet bli en ny storindustri? Svaren från grafensatsningarnas företrädare är tvekande.

”Det kommer inte att handla om en enda, ny storindustri, utan främst om många nya möjligheter i anslutning till redan befintliga verksamheter”, säger Fredrik Hörstedt, vicerektor på Chalmers och vd för Chalmers Industriteknik.

Den tillämpning som ligger allra längst bort är datorer baserade på grafen, menar Jari Kinaret, som även varnar för att skapaen felaktig hype kring materialet. Rubriker som ”Grafen ersätter kisel” eller ”Grafen ersätter stål” avfärdar han som helt orealistiska. Han tillägger att det riktigt stora genombrottet kanske kommer inom något helt oväntat område.

”Vem skulle ha gissat att två av laserns viktigaste användningsområden var att ersätta stålnålen i en grammofon eller möjliggöra bredbandsnätet? Grafens motsvarande tillämpningar kanske blir i membran för gasseparation, isensorer, bränsleceller eller inom medicinen”

ASNZUOH TI > SÅ KAN GRAFEN ANVÄNDA sm Dettvådimensionella materialet grafen har redan börjat användas i vissa produkter. Många nya tillämpningar förväntas under de kommande åren.

s Finns idag: Tennisracket, skidor, cykelhjul.

ms Påväginiprodukter: Anoder och katoder i batterier och bränsleceller för exempelvis bilar, superkondensatorer.

sm Inom 510 år: Snabbare lasrar och modulatorer, böjbara och genomskinliga fotodetektorer, genomskinliga solceller, skottsäkra västar, avancerad vattenfiltrering.

ms Pålängre sikt: Säkrare och lättare flygplan, rullbara bildskärmar, målstyrda läkemedel, konstgjorda näthinnor, supersnabb DNA-sekvense ring, membran för gasseparation, sensorer för gas, fukt eller tryck exempelvis insydda i kläder, komponenter till smarta elnät, kemiska katalysatorer, ytbehandling och nya flamskyddsmedel.

sm Exempelinom medicin:Det finns planer på att tillverka pyttesmå elektroder av grafen - för att stimulera nervcellsaktiviteter inne ikroppen och skapa målsökande läkemedel.

En fråga som först behöver besvaras är vad som händer när grafen förs in i kroppen: stannar det kvar eller kommer det ut me urinen = Grafenets egenskaper, som flexibilitet och genomskinlighet, förväntas även bli till nytta vid skapandet av konstgjorda näthinno - för att hjälpa människor med synproblem.