Grafen er ikke altid et mirakelmateriale
Grafen er kendt som et vidundermateriale, som er fænomenalt til at lede elektrisk strøm. Nu viser et nyt dansk studie, at grafen ikke altid kan leve op til sit superevne-ry.
Graphene grafen mirakelmateriale elektronisk komponent DTU

Grafen er et ultratyndt materiale, der ofte hyldes som et nyt mirakelmateriale. Men materialet kan ikke altid leve op til sit ry, viser ny dansk forskning. (Modelfoto: Shutterstock) 

Hvis du læser med på Videnskab.dk og andre forskningsmedier, kan du ikke være i tvivl om, at materialet grafen er noget helt særligt – det har for længst fået tilnavne som »mirakelmaterialet« eller »vidundermaterialet«.

Grafen bliver især hyldet for sine fænomenale evner til at lede en elektrisk strøm, men nu viser et nyt dansk studie, at evnerne måske ikke er helt så fænomenale endda – i hvert fald ikke, hvis man sætter grafen i selskab med andre materialer.

»De fleste andre studier undersøger grafens egenskaber isoleret set. Men vi har undersøgt, hvordan grafen opfører sig i en realistisk situation, hvor det sidder sammen med andre materialer,« siger Tue Gunst, som er postdoc ved DTU Nanotech på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) og fortsætter: 

»Der kan vi se, at grafen kan miste nogle af sine gode egenskaber, hvis man bare putter det ind i en helt almindelig elektronisk komponent.«

Historien kort
  • Grafen er et tyndt materiale, som er blevet udråbt til at være et 'mirakelmateriale', bl.a. på grund af dets fabelagtige evner til at lede elektrisk strøm.
  • Nu viser et nyt dansk studie, at grafen bliver dårligere til at lede strøm, når det sættes i selskab med andre materialer.
  • Det er et praktisk problem, men studiet giver en opskrift på, hvordan problemet kan løses.

Han er førsteforfatter på den nye undersøgelse af grafen, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

Praktisk relevant viden om grafen

Professor Philip Hofmann fra Aarhus Universitet mener, at den nye undersøgelse er »super spændende og relevant,« fordi den påpeger et praktisk problem ved at bruge grafen i moderne elektronik – men samtidig giver en opskrift på, hvordan man kan løse problemet.

»Det er ny viden om grafen, som de bringer på banen i studiet. Og det er meget relevant for, hvordan man rent praktisk skal bruge grafen,« siger Philip Hofmann, som forsker i grafen, men ikke har været en del af det nye studie.

Grafen er et ekstremt tyndt materiale, som kun består af et enkelt lag af kulstofatomer.

Siden det i 2004 for første gang lykkedes grafens fædre - de russiske nobelprisvindere Andre Geim og Kostya Novoselov – at fremstille grafen på et laboratorium i England, har forskere verden over kastet sig over »vidundermaterialet«.

Materialer omkring grafen er afgørende

Forsøg har vist, at det tynde lag af kulstof er ekstremt godt til at lede elektriske strømme. Dermed rummer grafen potentialet til at kunne forbedre vores elektronik og eksempelvis sørge for, at elektronikken bruger langt mindre strøm.

Men hvis grafen skal bruges i et elektrisk apparat såsom en telefon, computer eller vaskemaskine, skal det imidlertid sættes i forbindelse med andre materialer. Her viser det nye studie, at de omkringliggende materialer kan have stor indflydelse på, om grafen har superevner eller ej.

FAKTA: Grafen
  • Grafen er et ekstremt tyndt materiale. Det er blot ét kulstofatom tykt, og en enkelt flage grafen måler 0,34 nanometer.
  • Dermed er grafen så tyndt, at man skal lægge 300.000 flager ovenpå hinanden, før det bliver ligeså tykt som et stykke papir.
  • Grafen er super stærkt i forhold til sin tykkelse - faktisk 200 gange stærkere end stål.
  • Grafen er isoleret set en enormt god elektrisk leder. Men det nye studie viser, at hvis man sætter grafen i forbindelse med de forkerte materialer, kan det miste sine gode strømleder-evner.

»Hvis du bruger de forkerte materialer rundt omkring grafen, eller hvis du ikke laver den elektriske forbindelse til grafen på den rigtige måde, så mister grafen nogle af sine fantastiske egenskaber,« forklarer Tue Gunst.

Forklarer grafens svingende evner

Det nye studie kan ifølge Philip Hofmann være med til at forklare, hvorfor grafen i nogle tilfælde ikke har levet op til sit ry som mirakelmateriale.

»Det er interessant, fordi det hjælper os med at forstå, hvorfor folk tidligere har fået så forskellige resultater, når de har undersøgt grafens evne til at lede strøm,« siger Philip Hofmann.

Han forklarer, at indtil videre bliver grafen stort set kun brugt til forskning, men når det en dag skal flyttes ud i vores almindelige, elektriske apparater, vil grafen typisk blive placeret i apparatets såkaldte transistor.

En transistor er en elektronisk komponent, som er afgørende for meget moderne elektronik og blandt andet hjælper med at bestemme, hvornår der skal gå en elektrisk strøm igennem apparatet.

»Hvis man bare bygger en transistor, som man typisk gør, og herefter sætter grafen ind i transistoren, så taber grafen mange af de gode egenskaber, som det ellers har,« fortæller Philip Hofmann.

Sådan løser man problemet

Hvis man vil udnytte grafens fantastiske strømlederevner bedst muligt, skal man derimod sætte det ind i en symmetrisk struktur, viser det nye studie.

Det vil for eksempel sige, at man ikke skal have to forskellige materialer over og under grafen, fordi denne ’asymmetri’ i grafens omgivelser får vidundermaterialet til at lede strømmen dårligere.

Grafen graphene

Grafen er ekstremt tyndt og består af kulstofatomer, som sidder sammen i ét lag. (Illustration: AlexanderAlUS)

»Det betyder, at hvis man vil bruge grafen, skal man være forsigtig med, hvordan man designer sine elektroniske komponenter – altså transistorer eller chips. Man skal sørge for at bygge komponenterne, så man så vidt muligt ikke bryder symmetrien. Det er simpelthen en design-regel, som vi kan trække ud af studiet, og som andre kan udnytte,« forklarer Tue Gunst.

Studiet er lavet med computersimulation

Det nye studie er lavet ved hjælp af computersimuleringer, og Tue Gunst og hans kolleger fra DTU Nanotech har samarbejdet med den danske softwarevirksomhed QuantumWise om at udvikle modellerne.

»Det fleste andre modelleringer betragter kun grafens materialeegenskaber, og det er nok derfor, man hidtil har overset den effekt, vi beskriver. Men det gør altså en stor forskel, hvordan du putter grafen ind i en elektronisk komponent,« siger Tue Gunst.

Indtil videre er resultaterne fra det nye studie kun teoretiske. Forskerne har kun set i computersimuleringerne, hvordan grafen opfører sig i selskab med andre materialer, men de har ikke afprøvet det i eksperimenter i laboratoriet.

»Det er næste skridt. At andre forskere tager vores resultater op og tester dem med forsøg i laboratoriet,« siger Tue Gunst.