Grafen: Vad, varför och till vad?

I fredags hade jag nöjet att hålla en så kallad "Skeptisk Kvart" (fast det blev visst en halvtimme) på Vetenskap och Folkbildning Göteborgs Skeptiska Månpub. Temat för föredraget var grafen: Vad är grafen, varför är det så fantastiskt och vad sk vi ha det till? När jag förberedde mig insåg jag att jag inte har skrivit så mycket om grafen här på bloggen, trots att jag jobbat med det i drygt två år. Därför tänkte jag publicera mina (renskrivna) anteckningar till föredraget här.

Om vi börjar med den första frågan, "vad är grafen?", så finns det ett enkelt svar: Grafen är ett enskilt lager grafit. Grafit i sin tur är något vi alla har kommit i kontakt med, det är nämligen den viktigaste beståndsdelen i stiftet till blyertspennor. Grafit består av kolatomer som sitter ordnade i lager. Inom lagren är de kemiska bindningarna mellan atomerna starka, så de sitter ihop bra, men mellan lagren är bindningarna mycket svagare och lagren glider lätt i förhållande till varandra. Det är det som händer när vi skriver med en blyertspenna, klumpar med flera lager grafit lossnar från stiftet och fastnar på pappret.

Den svaga bindningen mellan lagren i grafit var något som André Geim och Konstantin Novoselov i Manchester utnyttjade när de för första gången framställde grafen i början av 2000-talet. De experimenterade med en bit grafit och vanlig tejp, och när de satte tejp på grafiten kunde de enkelt lyfta av några lager. Efter att ha upprepat proceduren några gånger och kontrollerat resultatet i elektronmikroskop kunde de konstatera att de lyckats framställa ett enstaka lager grafit, alltså grafen. (För den som vill veta mer om den historen rekommenderas Manchesters universitets hemsida.)

Så Geim och Novoselov kom på hur man skulle framställa grafen. Men vad är det som är så fantastiskt med grafen som material? Ganska mycket skulle det visa sig - grafen är ett material som man behöver många superlativ för att beskriva. Eftersom det bara är en enda atom tjockt så är det det tunnaste material som finns, vilket också gör det till det lättaste (1000 gånger lättare än papper per kvadratmeter) och genomskinligt. Dessutom är det ca 200 gånger starkare än stål, böjligt och leder både elektricitet och värme bra.

Hur kan grafen ha så många spännande egenskaper? Lättheten och transparensen är som sagt knutna till att det är så tunt, men för att förstå de andra egenskaperna behöver vi titta på hur elektronerna i grafen beter sig. Grafen består av kolatomer, och varje kolatom består av en positivt laddad kärna omgiven av sex negativt laddade elektroner. Två av de elektronerna befinner sig oftast nära kärnan och påverkar därför inte omgivningen så mycket, men de övriga fyra avgör hur atomen sitter ihop med sina grannar. Varje kolatom i grafen har tre grannar, och de sitter ihop med något som kallas elektronparbindning eller kovalent bindning. Det innebär att en elektron från varje atom hamnar i ett tillstånd som gör att de oftast befinner sig mitt emellan atomkärnorna. Då elektronerna är negativt laddade och kärnorna positiva skapar det en stark bindning mellan atomerna.

Eftersom varje grafenatom har tre grannar så går tre av de fyra elektronerna åt till såna elektronparbindningar, och det är de som gör att grafenet blir så starkt - eftersom bindningarna är så starka krävs det mycket energi för att dra isär dem. De bidrar också till att grafen leder värme så bra. Värmetransport i grafen sker genom att atomerna vibrerar, och de styva bindningarna i planet gör att vibrationerna kan fortplanta sig snabbt.

Men den fjärde elektronen då? Den kommer inte att sitta mellan atomerna i grafenplanet, utan oftast befinna sig antingen ovanför eller nedanför planet. Den fjärde elektronen är mer "lös och ledig" än de andra och den kommer därför att börja rör på sig i ett elektriskt fält -- den bidrar alltså till grafenets stora förmåga att leda elektrisk ström. Det hjälper också att grafenets struktur innebär att elektronen kan komma upp i väldigt hög hastighet.

Så vad ska vi ha grafen till? Frågar man oss som forskar på grafen blir svaret "Allt!". Det är lätt att få intrycket att grafen ska lösa alla världens problem, men det finns några områden där det kan bli extra viktigt. Ett sådant är flexibel elektronik. Eftersom grafen är lätt, elektriskt ledande och böjligt skulle det kunna ersätta tyngre, stelare material och ge oss batterier och annan elektronik som går att böja, vika eller kanske sy in i kläder.

Något man är speciellt intresserad av att använda grafen till är böjliga pekskärmar. Pekskärmar ställer faktiskt rätt höga krav på de material som ingår, och speciellt materialet på ytan. Det måste vara genomskinligt, vi ska ju kunna se vad som står på skärmen, men det måste också fungera som en sensor och känna av hur vi rör fingrarna på skärmen. Det innebär att materialet måste leda elektrisk ström. Det finns bara ett fåtal material som klarar båda kraven, och de har ofta andra problem. Det som oftast används idag, indium-tenn-oxid, är till exempel väldigt skört och skulle absolut inte fungera i en böjlig skärm. Här skulle grafen vara ett väldigt spännande alternativ - så spännande att företag som Samsung redan är på gång med prototyper. 

Kortfattat: Spela för vetenskapen

Det brukar påstås att man inte lär sig förstå kvantfysik, man vänjer sig vid den. Därför kan det låta lite märkligt att någon försöker använda sig av vanliga människors intuition för att lösa kvantfysikaliska problem. Ändå är det precis det ett antal forskare på Århus Universitet har gjort. I en artikel i tidskriften Nature beskriver de hur utvecklat ett spel kallat QuantumMoves där användaren med hjälp av olika strategier ska flytta en atom mellan olika positioner. Kruxet är att atomen inte är en liten rund kula som i kemin på högstadiet, utan en kvantpartikel som kan hamna i olika energitillstånd beroende på t.ex. hur fort man flyttar den. Atomens energitillstånd illustreras med hjälp av kvadraten på dess vågfunktion, som beskriver sannolikheten för att man ska hitta atomen på en viss position och i ett visst tillstånd. I spelet ser den här vågfunktionen väldigt mycket ut som en vätska som skvalpar omkring. Målet är att flytta atomen och samtidigt få den att hålla sig kvar i ungefär samma tillstånd, d.v.s. vätskan ska skvalpa så lite som möjligt.

Att få folk att hjälpa till med vetenskapliga problem genom att göra spel av dem är inte ett helt nytt koncept, det har t.ex. tidigare använts för att få fram proteinstrukturer, men detta verkar vara första gången man försökt använda det för kvantfysik. Enligt artikelförfattarna var det också tämligen framgångsrikt, på så sätt att spelarna hittade effektiva metoder att flytta atomerna. I slutändan är meningen att den här informationen ska kunna användas för att konstruera en kvantdator.