Grafen på väg ut ur laboratoriet

Text: Alarik Haglund

Grafen, som kallats både supermaterial och mirakelmaterial, har tack vare att det bara är en atom tjockt ett antal unika egenskaper som skulle kunna revolutionera den tekniska utvecklingen inom ett stort antal olika områden, från elektronik och energilagring till bil- och flygindustrin. Tack vare intensiv forskning börjar materialet nu bli moget att lämna laboratoriet och uppfylla sin potential.

Det relativt unga materialet grafen upptäcktes 2004 av fysikerna Andre Geim och Konstantin Novoselov när de genom att använda en bit tejp lyckades dra loss en flaga av grafen från en bit grafit.

Precis som grafit är grafen en så kallad allotrop av grundämnet kol och kolatomerna i grafen är precis som i grafit ordnade i ett hexagonalt mönster. Till skillnad från grafit består grafen emellertid av ett skikt av kolatomer som endast är ett atomlager tjockt.

Den tvådimensionella strukturen, i kombination med egenskaperna hos kolatomen, ger upphov till en mängd unika egenskaper som gör grafen till ett av de mest mångsidiga material vi känner till. Till exempel är det trots att det är världens tunnaste material omkring 200 gånger starkare än stål. Eftersom det är en miljon gånger tunnare än ett hårstrå är grafen också mycket lätt och väger inte mer än 0,77 milligram per kvadratmeter. Det är även böjbart, töjbart, genomskinligt och leder både elektricitet och värme mycket bra.

bild
Grafen kan bland annat användas för att tillverka tunna och böjbara elektroniska kretsar till nästa generations elektronik. Foto: Graphene Flagship

Nästa generations elektronik

Andre Geim och Konstantin Novoselov, som är verksamma vid University of Manchester i Storbritannien, tilldelades 2010 Nobelpriset i fysik för sina banbrytande experiment rörande det tvådimensionella materialet. Sedan dess har forskare världen över fortsatta att studera grafens olika egenskaper och möjliga tillämpningar inom en lång rad olika områden.

Bland annat är grafen med sin goda elektriska ledningsförmåga och näst intill obefintliga tjocklek ett mycket lovande material för nästa generations elektronik och det lämpar sig tack vare att det är både böjbart och genomskinligt utmärkt för böjbara skärmar och annan böjbar elektronik.

Grafen kan även användas som tillsats i elektriskt ledande bläck, som gör det möjligt att trycka elektroniska komponenter och kretsar med hjälp av traditionell tryckteknik.

Även om det inte reagerar kemiskt med andra material i sin omgivning kan egenskaperna hos grafen dessutom förändras när det absorberar olika atomer eller molekyler. Detta kan utnyttjas för att tillverka en stor mängd olika sensorer, som samtidigt som de är mycket känsliga också är mindre, lättare och billigare än traditionella sensorer. Grafenbaserade sensorer skulle därmed kunna vara mycket användbara som byggstenar för Internet of Things och som kroppsnära sensorer.

Grafenbaserade biosensorer skulle också, tillsammans med implantat och andra medicinska tillämpningar baserade på grafen, kunna utvidga vad som är möjligt inom bioteknikområdet.

Därutöver gör grafens unika egenskaper att det är ett idealt material för optoelektronik. Till exempel skulle snabb och kompakt optoelektronik baserad på grafen kunna möjliggöra högpresterande optiska kommunikationssystem.

bild
Det tvådimensionella materialet grafen, som består av ett endast en atom tjockt lager av kolatomer, skulle tack vare sina unika egenskaper kunna revolutionera den tekniska utvecklingen inom en mängd områden. Förutom att det är extremt tunt och lätt är det också mycket starkt, samtidigt som det är böjbart, töjbart, genomskinligt och leder både elektricitet och värme mycket bra. Illustration: SIO Grafen

Driver på utvecklingen

Grafen driver också på utvecklingen av teknik för produktion och lagring av energi, som solceller, batterier, och superkondensatorer. Till exempel kan man med hjälp av grafen förlänga livslängden och höja verkningsgraden hos perovskitsolceller, som kan placeras på i stort sett vilken yta som helst. Samtidigt går det genom att använda grafen i elektroderna att tillverka litiumjonbatterier med högre energilagringskapacitet.   

Ett annat användningsområde för grafen är i nästa generations kompositmaterial och ytbeläggningar. Utöver att göra kompositmaterial starkare och lättare kan grafen även ge dem fler funktioner. Det kan därför få en avgörande roll inom såväl bilindustrin som flygindustrin, rymdindustrin och byggindustrin. Till exempel går det att göra tunnare och lättare flygplansdelar med samma eller bättre funktionalitet, vilket resulterar i lägre bränsleförbrukning och minskar både kostnaderna och koldioxidutsläppen. 

Som tillsats i ytbeläggningar kan grafen bland annat användas för att förhindra att fartyg rostar och för att göra byggnader väderbeständiga.

 

bild

Film eller flagor

En förutsättning för att grafen ska kunna lämna laboratoriet är att det kan tillverkas i stor skala. Forskarna har därför tagit fram ett antal metoder för att tillverka grafen, antingen i form av film eller flagor, på ett billigt, effektivt och skalbart sätt.

Vilken tillverkningsmetod som lämpar sig bäst beror till stor del på vad grafenet ska användas till. För tillämpningar inom elektronik krävs oftast grafen med mycket hög renhetsgrad och kvalitet. Detta kan åstadkommas genom kemisk ångdeponering (CVD), där metan förångas och kolatomerna deponeras i ett hexagonalt mönster på ett kopparsubstrat. Den resulterande grafenfilmen kan sedan överföras till andra underlag som kisel eller plast.

För tillämpningar som elektriskt ledande bläck och kompositmaterial, där det fungerar bra med grafenflagor, kan bland annat vätskebaserad exfoliering (LPE) användas. Vid vätskebaserad exfoliering utsätts grafit i ett flytande medium för till exempel ultraljud för att separera lagren i grafiten från varandra.

Europeiskt flaggskeppsprojekt

EU-projektet Graphene Flagship, som sedan 2013 drivs från Chalmers, är ett initiativ som har siktet inställt på att få ut grafenbaserad teknik från laboratoriet och få in den i kommersiella tillämpningar.

Projektet, som har närmare 170 akademiska och industriella partners från 22 länder, tog i oktober 2020 ett stort kliv framåt då EU-kommissionen investerade 20 miljoner euro i utvecklingen av en pilotlinje för tillverkning av elektronik, optoelektronik och sensorer baserade på grafen. Den experimentella pilotlinjen 2D-EPL (2D Experimental Pilot Line), som är den första i sitt slag och planeras vara i full drift till 2024, ska hjälpa europeiska företag, forskningscenter och akademiska institutioner att tillverka elektroniska enheter baserade på grafen och andra tvådimensionella material i pilotskala. Målet är att demonstrera hur man kan tillverka och skala upp tillverkningen av dessa enheter, vilket är ett viktigt steg på vägen mot fullskalig produktion.

- Det finns nu gott om prototyper av elektroniska enheter baserade på 2D-material som överträffar nuvarande teknik. För att få ut dessa enheter på marknaden måste vi utveckla verktyg och designhandböcker för att möjliggöra tillverkning som är kompatibel med standarder inom halvledarindustrin, säger Cedric Huyghebaert, som är teknisk chef för 2D-EPL.

bild
För att kunna lämna laboratoriet måste grafen kunna tillverkas i stor skala och det har därför tagits fram flera billiga, effektiva och skalbara metoder för att tillverka grafen som antingen film eller flagor, beroende på vad den ska användas till. Foto: Graphene Flagship

Batteriteknik kommersialiseras

Graphene Flagship lägger också stor vikt vid industriledda spjutspetsprojekt för att utveckla en mängd andra prototyper baserade på grafen till kommersiella produkter.

Bland annat har den tyska batteritillverkaren Varta, efter att ha lett ett spjutspetsprojekt för att utveckla ett knappcellsbatteri med ökad energilagringskapacitet, påbörjat ett nytt spjutspetsprojekt som ska förbättra batteritekniken för elfordon.

Om grafitanoden i litiumjonbatterier byts ut mot kisel kan energilagringskapaciteten ökas kraftigt, men eftersom en anod av kisel sväller upp och krymper ihop när batteriet laddas och laddas ur går den sönder efter bara några få laddningscykler. Genom att använda en nypa grafen för att stabilisera anoden lyckades forskare från Varta ta fram ett kiselbaserat litiumjonbatteri som tål mer än 300 laddningscykler och som har en 30 procent högre energilagringskapacitet än de alternativ som finns tillgängliga idag.

Det framtagna knappcellsbatteriet skulle till exempel kunna användas i klockor, bilnycklar och trådlösa hörlurar och enligt Christoph Stangl från Varta Micro Innovation satsar företaget på en snabb kommersialisering av den exceptionella batteritekniken.

Samtidigt vidareutvecklas tekniken i det nya spjutspetsprojektet GreenBat för att uppnå en livslängd på 1 000 laddningscykler och utveckla en prototyp av en batterimodul för elfordon.

Många projektområden

Det pågår också flera andra spjutspetsprojekt inom Graphene Flagship. I projektet GRAPES, som leds av det italienska företaget Enel Green Power, utvecklas till exempel kostnadseffektiva solpaneler med perovskitsolceller, som tack vare grafen får förbättrad stabilitet och högre verkningsgrad i stor skala.

Några av de andra spjutspetsprojekt som bedrivs är GRAPHIL, där grafenbaserade vattenreningsfilter utvecklas av det italienska företaget Medica, G+BOARD, som leds av italienska Fiat-Chrysler Automobiles och ska utveckla instrumentpaneler baserade på grafen för att minska vikten på fordon, och AUTOVISION, där det spanska företaget Qurv utvecklar en grafenbaserad bildsensor för självkörande fordon som kan se hinder och vägens krökning även vid extrema och svåra körförhållanden.

Franska Airbus leder också spjutspetsprojektet GICE för att förbättra flygsäkerheten genom att utveckla termoelektriska iskyddssystem baserade på grafen.

bild
Efter att ha utvecklat ett knappcellsbatteri, som genom att använda en kombination av grafen och kisel i anoden har högre energilagringskapacitet än traditionella litiumjonbatterier, har företaget Varta påbörjat ett nytt projekt som ska vidareutveckla tekniken för elfordon. Foto: Graphene FlaGShip

Spinoff-företag

Graphene Flagship har också resulterat i ett antal spinoff-företag, som InBrain Neuroelectronics i Spanien. Företaget grundades 2019 med målsättningen att avkoda signaler i hjärnan för att behandla patienter med epilepsi, Parkinsons sjukdom och andra neurologiska störningar. De utvecklar därför smarta hjärnimplantat baserade på grafen som utöver att de kan tolka hjärnans signaler med oöverträffat hög upplösning även kan miniatyriseras till nanoskala och programmeras, uppgraderas och laddas trådlöst för att minimera bieffekterna.

Finska Emberion, som var ett av Graphene Flagships första spinoff-företag, grundades 2016 och deras mycket känsliga fotodetektorer kombinerar grafentransistorer med ett effektivt ljusabsorberande lager för att täcka ett brett spektralområde.

Nya svenska projekt

I Sverige arbetar det strategiska innovationsprogrammet SIO Grafen, som drivs med stöd från Vinnova, Energimyndigheten och Formas, för att ta innovationer baserade på grafen från labbet till industrin och bygga en svensk grafenbransch.

Eftersom de sett ett ökat behov från den växande grafenbranschen att hitta rätt leverantörer har SIO Grafen bland annat tagit fram en ny leverantörsguide, som lanserades i mars 2021.

- Här får företag som är nyfikna på att jobba med grafen hjälp att hitta rätt grafenleverantör. Hittills har vi samlat över 100 leverantörer och vi hoppas att guiden fortsätter att växa, säger Jon Wingborg från Chalmers Industriteknik, som jobbar inom SIO Grafen.

I februari 2021 presenterade SIO Grafen också 13 nya grafenprojekt som beviljats finansiering. Av de 26 miljoner kronor som satsas på de nya projekten, som ska lösa materialutmaningar inom en mängd svenska industriområden, är hälften offentlig finansiering och hälften finansierat av projektdeltagare.

 

bild
Genom att kombinera transistorer av grafen med ett effektivt ljusabsorberande lager har företaget Emberion tagit fram mycket känsliga fotodetektorer som täcker ett brett spektralområde. Foto: Graphene FlaGShip

- Vi har märkt ett högt ansökningstryck och här får en rad spännande kandidater chans att utveckla innovativa projekt med fokus på grafen. Det skapar viktiga steg framåt för en kommersialisering av grafen, säger SIO Grafens programchef Elisabeth Sagström-Bäck.

Flera av projekten handlar om batterier, vilket är en marknad som växer enormt just nu och där grafen enligt Elisabeth Sagström-Bäck kan spela en viktig roll.

Bland de projekt som fick finansiering i SIO Grafens senaste utlysning återfinns också projekt med fokus på utveckling av funktionella och elektriskt ledande lättviktsmaterial för nästa generations flygplan, projekt kring 3D-utskrifter och förbättrade ytbeläggningar samt projekt som jobbar för en biobaserad cirkulär framtid med inslag av grafen som ett mer miljövänligt alternativ.

- Industrin börjar ta tillvara på materialets potential på flera fronter. Vårt mål är att bygga en hållbar svensk bransch kring grafen och utvecklingen är positiv, säger Elisabeth Sagström-Bäck.