Hvor ble det av grafén-revolusjonen?

Denne artikkelen ble første gang publisert i Kapital nr. 2/19.

I 2013 etablerte EU sitt Graphene Flagship. Deter EUs overlegent største forskningsprosjekt og hadde pr. juni 2018 hele 21 aktive deltagerland, 1.250 forskere og frem til år 2020 et budsjett på mellom 380 og 1.000 millioner euro (avhengig av hvordan partnerlandenes budsjetter medtas). Målet med prosjektet er å omsette grunnforskningen rundt grafén til praktisk anvendbare produkter.

Siden 2013 har prosjektet publisert 2.400 vitenskapelige artikler, fått innvilget 25 patenter, lansert 43 nye produkter og etablert seks nye bedrifter basert på materialet.

Også land som USA, Kina, India, Japan og Russland har store grafén-prosjekter på gang. Men de helt revolusjonerende produkter (som katte-hengekøyen på neste side) lar vente på seg.

Alt startet med en frosk 

Men la oss begynne med begynnelsen. Den var en frosk. Nærmere bestemt en ung, 10 mm lang frosk som i 1997 svevet fritt i et magnetfelt på laboratoriet til den da 29-årige russiskfødte forskeren André Geim.

Eksperimentbeskrivelsen inkludert kompliserte beregninger ble offentliggjort i rapporten Of Flying Frogs and Levitrons, og den innbragte Geim den satiriske Ig Nobelprisen høsten 2000. (Ig Nobelprisenutdeles ved Harvard University for “seriøs forskning som først får deg til å le, og så til å tenke”, og har vært omtalt mange ganger i disse spalter, sist i artikkelen “Read the F***ng Manual” i Kapital nr. 19/2018.) Ig Nobelprisen og den kreativiteten og tunge fysisk-matematiske kunnskapen som Geim fikk demonstrert via froskeeksperimentene, medvirket sikkert til at han i 2001 fikk tilbud om professorstilling i fysikk ved Manchester University. Der fikk han etter hvert hentet inn en av sine tidligere doktorgradsstudenter, Konstantin Novoselov, som også var født i Russland. De begynte å forske på grafitt.

Grafitt er mineralsk karbon i ren form, og er det materialet du finner f.eks. i blyantspisser. Som du har sett hvis du noen gang har spisset en blyant, så kan grafitten skalles av i ganske tynne lag. Det skyldes at de atomære kreftene som holder lagene sammen er svake.

Geim og Novoselov ønsket å studere grafittlag som var ekstra tynne, og med “vanlig Geim-kreativitet” begynte de å ta av lag etter lag fra en grafittklump ved hjelp av vanlig tape. Etter hvert som de fikk forbedret tapeteknikken, klarte de å få frem grafittlag som var så tynne at de var helt nede på ett-atomnivå.

Slike lag hadde vitenskapen teoretisert over i flere tiår. De hadde til og med fått et navn – grafén, og man ante at hvis de virkelig fantes, ville de ha forbløffende egenskaper. Men ingen hadde klart å få frem grafén ved en systematisk metode, og ingen hadde sett materialet, bl.a. fordi det var helt gjennomsiktig.

Med sin tape-metode klarte imidlertid Geim og Novoselov å isolere og stabilisere grafén, og attpåtil å se og studere materialet ved å plassere det på en silisium-plate.

Riktignok var ikke grafénbitene større enn diameteren på et hårstrå, men det var nok til at forskerne kunne påvise og demonstrere stoffets unike egenskaper og antyde en rekke revolusjonerende anvendelsesmuligheter.

I 2004 fikk Geim og Novoselov publisert en artikkel om grafén i Science. Og bare seks år deretter, i 2010, fikk de Nobelprisen i fysikk.

Anvendelsesmuligheter

Og egenskapene og anvendelsesmulighetene til grafén er virkelig eksepsjonelle:

Iflg. Graphene Flagship Annual Report 2017 jobbes det i EU-prosjektet med bl.a. følgende produkter der grafén er en vesentlig bestanddel:

– Forsterkning av en lang rekke mekaniske konstruksjoner; alt fra biler til tennisracketer. Styrken er nemlig overlegen alle andre materialer. Et stykke grafén på en kvadratmeter vil veie 0,77 milligram og kunne bære en katt på fire kg. Jfr. figuren.

– Solcellepaneler med flere ganger så høy virkningsgrad som de ca. 20% som er øvre grense i dag.

– Batterier (egentlig kondensatorer) med energilagringskapasitet på 400 Watt-timer pr. kg batteri. Det er dobbelt så mye som for dagens beste batterier.

– Implantater for avhjelping av skader i hjerne og nervesystem. Vil være mye mindre enn klassiske implantater, vil reagere på mer subtile endringer i kroppen, samtidig som de selv avgir mye mindre elektronisk støy.

– Sensorer med uovertruffen følsomhet for å oppdage gasslekkasjer og endringer i trykk eller temperatur.

– Elektronikk, optikk og datamaskiner. Signaler kan overføres med hittil ukjent hurtighet, og datamaskinene får eksepsjonelt stor prosesseringskapasitet og lavt energiforbruk.

Hinderet

Det eneste som synes å stå i veien for et revolusjonært gjennombrudd for grafén, er utfordringen det er å fremstille stoffet i industriell skala i tilstrekkelig ren form. For materialets egenskaper vil bli forringet av små forurensninger. Og når man snakker atomnivå, er det ekstra lite som skal til, for å si det slik.

Det var en sensasjon da Sony i 2012 annonserte at de kunne fremstille grafén i bånd med 25 cm bredde og 100 m lengde. Problemet var at produktet ikke var helt rent, og dermed oppnådde ikke produktene som ble laget på Sony-basisen de egenskaper som var forventet.

Men i april 2018 kunne MIT (Massachusetts Institute of Technology) melde at de hadde funnet en bra metode for industriell fremstilling av perfekt grafén. Så kanskje revolusjonen nå er rett rundt neste hjørne.

Til slutt litt tilbake til EUs Graphene Flagship. Der er omtrent alle fremstående universiteter i Europa med som aktive “Partners”. Sverige stiller f.eks. med fem universiteter i tillegg til ABB og Ericsson AB, og Tyskland med 20 universiteter og en rekke store firmaer.

Hva så med Norge? Vi er jo ikke med i EU og kan dermed ikke være “Partner”, men har i alle fall fått med NTNU i Trondheim og lille Abalonyx AS blant de såkalte Associated Members. Så er vi da med på revolusjonen vi også. I alle fall litt.