Når du skriver med blyant, placerer du i virkeligheden bittesmå flager på papirarket.
Nogle af flagerne i blyantstregen er blot et atom tykke og kaldes grafén.
Det er et stof, der i fremtiden kan betyde teknologiske fremskridt inden for blandt andet mobilskærme og computere
Dette superstof har altså ligget lige for næsen af de fleste af os i mange år, bogstavelig talt.
Hver gang du sad på skolebænken og lavede krusseduller i kladdehæftet med en blyant, havde du fremtidens superstof foran dig.
Men det krævede nogle af verdens førende forskere og en Nobelpris i fysik at isolere stoffet.
Rødderne i Grey Knotts
Mange tror, at der er bly i en blyant, men det er ikke rigtigt. Misforståelsen opstod for mange år siden, da noget mørkt og glinsende blev fundet i den østlige skråning på fjeldet Grey Knotts i Cumbria i England i 1555.
Myter vil vide, at en tordenstorm blæste træer omkuld, sådan at hyrderne i området fik øje på det mystiske, sorte stof i rødderne. Først troede de, at det var kul, men det ville ikke brænde.
At det rent faktisk var karbon, bare i en meget renere og speciel form, kunne de jo ikke gætte. Kemikerne på den tid havde endnu meget at lære, så stoffet fik navnet ‘sort bly’.
Den mørke farve smittede let af. Bønder i nærheden brugte derfor stoffet til at mærke søer.
Bevogtet af kongen
I starten af 1600-tallet stod det klart, at det ‘sorte bly’ havde større værdi. England, Frankrig og Holland blev kolonimagter og bekrigede hinanden. Landene rustede op med tidens moderne våbenteknologi, kugler og krudt.
Støbeformene for kugler til kanoner og musketter blev blev beklædt med sort bly. Stoffet var slidstærkt og kunne tåle varmen fra det smeltede kuglebly uden at udvide sig.
Der fandtes enorme mængder af det ‘sorte bly’ på Grey Knotts og værdien steg i vejret. Den engelske konge overtog driften af minerne fra tyske immigranter og lod minen oversvømme mellem hver udvinding for at forhindre tyveri.
Verdens første blyantfabrik
\ Fakta
Alligevel fik nogle held til at smugle små stykker ud og bruge dem til at skrive med. omkring 1760 var de første blyanter fremstillet, og i 1832 blev den første blyantfabrik startet i byen Keswick i nærheden.
Blyanter blev en lige så stor dille blandt tidens hippe kulturelite som iPad og andre tablet PC’er i dag.
Blyantfabrikken findes stadig i dag, men minen blev lukket i 1891, fordi fabrikken havde fundet nye måder at lave blyanter på. Forekomsten af det rene ‘sort bly’ i Grey Knotts er stadig den største i verden.
I dag ved vi, at de første hyrder, som fandt stoffet, faktisk gættede rigtigt. Det ‘sorte bly’ er i rent faktisk kul. Alligevel har blyanten altså beholdt sit navn.
Karbonflager
Men det ‘sorte bly’ er en særligt ren form for kul. I modsætning til det sorte trækul, vi lægger på grillen, er kullet i blyantspidsen små flager af helt ren karbon.
Den tyske geolog Abraham Gottlob Werner kaldte stoffet for grafit efter det græske ord graphein, som betyder ‘at skrive’. Ordet grafik har f.eks. samme oprindelse.
Karbonflagerne i grafit ligger i lag oven på hinanden, omtrent som papirark i en bunke. Og ligesom det nogle gange kan være svært at få papirark fra hinanden, suges karbonflagerne sammen af elektriske kræfter mellem molekylerne, de såkaldte Van der Waals-kræfter.
Disse kræfter er ganske svage. Derfor skaller grafitflagerne nemt af blyantspidsen, når vi skriver. Og nogle gange kan man se små individuelle flager i blyantstregen. De er sekskantede som hønsenet, hvor karbonatomerne så danner hjørnerne i sekskanterne.
Hvem kan skille flagerne
I 1987 satte den tyske kemiker Hanns-Peter Boehm navn på disse individuelle flager. Han kaldte dem grafén.
Forskerne ønskede allerede tidligt i 1960erne at kontrollere kløvningen, så de kunne fremstille ren grafén. Men det var ikke let.
I flere år forsøgte forskerne at lave grafén ved at skrabe grafit mod andre materialer. Metoden lyder primitiv, men virkede forbløffende godt.
Det lykkedes forskerne på en kontrolleret vis at skrabe sig ned til blot 100 lag. I 1990erne var lagene så tynde, at det ‘sorte bly’ var blevet gennemsigtigt.
Alligevel var forskerne langt fra målet. Og nogle var pessimistiske. En flage, som bare er et atom tykt, kan ikke være stabil. De vil krølle sig sammen, mente forskerne.
Tape og Nobelpris
Pessimisme blev dog vendt til optimisme i 2004. Da lykkedes det fysikerne Konstantin Novoselov og Andre Geim at fremstille grafén. De brugte en metode, som umiddelbart lyder endnu mere fjollet end skrabemetoden. Den kaldes scotch-tape-metoden.
Forskerne tog grafikflager, som alle var gjort tynde med skrabemetoden. Så klistrede de dem fast til et stykke klisterbånd og foldede limsiden af båndet tilbage over de fastklistrede flager og trak dem fra hinanden igen.
Slutresultatet var rent grafén – og en Nobelpris i fysik i 2010 til de to russiske forskere, der nu arbejder ved University of Manchester.
Men hvorfor er forskerne så begejstrede for grafén? Hvad gør stoffet så specielt?
Turbo-elektroner
Dataingeniørerne ser en stor fremtid for grafén. Med dette stof kan de lave computere, som er mindre og hurtigere. grafén har nemlig helt specielle elektriske egenskaber.
Vi er vant til at tænke på elektrisk strøm som noget lynhurtigt, bogstavelig talt. Men elektroner i almindelige metalledninger går egentlig relativt langsomt, når strømmen flyder.
De strømbærende elektroner kan bevæge sig frit mellem atomerne i et metal. Men de kan ikke bevæge sig, så hurtigt, som de vil.
Elektroner er negativt ladede. Atomerne har mistet de frie elektroner og er positivt ladede. Denne ladning laver elektriske felter, som hiver og flår i atomerne.
I grafén bevæger elektronerne sig meget hurtigere. Den elektriske modstand er også meget lav. Det betyder, at grafén kan bruges til at lave mindre og hurtigere elektroniske kredsløb i computere.
Høj klokfrekvens
Et stort problem er køling af mikroprocessoren, når transistorerne i de integrerede kredsløb pakkes tæt. Og her kan grafén hjælpe til.
Den lave modstand i stoffet giver lavere varmeudvikling. grafén leder også varme godt, sådan at den lille mængde varme, som trods alt laves, lettere kan ledes væk.
I februar 2010 formåede ingeniører fra IBM at lave transistorer af blandt andet grafén med en klokfrekvens på 100 gigahertz. Det er hurtigere end tidens hurtigste siliciumtransistorer.
IBM brugte eksisterende produktionsudstyr til at lave transistorerne, og det viser, at grafén kan erstatte silicium i fremtidens computere. Om godt og vel ti år kan vi måske købe computere med klokfrekvenser helt op i terahertz-området, altså tusind gigahertz og mere.
Spintronik
\ Fakta
Det, IBM har gjort, er stadig kun at erstatte silicium med grafén i traditionelle mikrochips. grafén har også andre elektriske egenskaber. Disse kan bruges i helt nye konstruktioner, såkaldte spintronik-computere.
Elektroner kan nemlig ikke bare bruges til at føre elektrisk strøm. De kan også noget, der hedder spin.
Dette spin skal ikke opfattes helt bogstaveligt. Elektronerne er ikke små snurretoppe. Vores hverdagsforestillinger bryder sammen i dette mikrokosmos af elementarpartikler.
Men elektronens spin har en retning. Det er enten op eller ned. Denne egenskab kan bruges i grafén og bruges til at gemme data på endnu mere effektive måder end ved traditionel computerelektronik.
Elektronerne i grafén bevæger sig så hurtigt, at fysikerne må bruge Einsteins relativitetsteori for at beskrive det, der sker. Det betyder blandt andet, at fysikerne nu for første gang har et materiale, hvor de i praksis kan studere det, der kaldes kvantedynamiske effekter.
Gennemsigtig elektronik
Flager af grafén er også næsten helt gennemsigtige.
Det betyder, at de kan bruges til at lave elektroniske komponenter, hvor lys kan slippe igennem.
Derfor kan touchscreens og almindelige LED-fladskærme drage nytte af grafén, ligesom solceller med grafén kan gøres tynde og bøjelige og spredes over store flader.
Ultrakondensatorer
Grafén kan også bruges til at lave såkaldte ultrakondensatorer.
Ultrakondensatorer kan oplades meget hurtigt og kan holde på store elektriske ladninger. De kan derfor supplere almindelige batterier i flere sammenhænge, hvor hurtig ind- og afladning er særligt vigtig.
I elektriske biler kan såkaldte regenerative bremser for eksempel give store strømmængder, når det går ned ad bakke. Almindelige batterier kan have problemer med at sluge al den strøm hurtigt nok.
Ultrakondensatorer kan derimod sluge ladningen på kort tid og gemme den, indtil bilen skal bruge et boost op ad den næste bakke.
I Kina går der elektriske busser i rutetrafik i Shanghai, hvor ultrakondensatorer lades op ved hvert stoppested, så bussen klarer sig uden luftledninger.
Kunstige næser
Også gasdetektorer kan gøres meget mere effektive med grafén.
Disse ‘kunstige næser’ virker ved at gaspartikler sætter sig fast på overfladen af grafénet. Der, hvor partiklen sætter sig fast, forandres den elektriske modstand.
Da grafén leder strømmen så godt, er denne øgede modstand let at opdage. Ændringen af modstanden kan så identificere gaspartiklen.
Kortlægning af gener
En tilpasning af denne metode kan også bruges til at kortlægge arvemateriale. I september i år demonstrerede forskere fra Harvard og MIT, hvordan DNA-molekyler kan trækkes igennem et membran af grafén.
Væsken på hver side af membranet havde forskellige elektriske spændinger. Forskerne registrerede, hvordan spændingen over grafénmembranet ændrede sig, efterhånden som DNA-molekylet passerede.
Ved at analysere dette signal, vil det formentlig blive muligt at registrere rækkefølgen af nukleinsyrerne.
Dermed vil kortlægning af arvemateriale blive så hurtig og billig at det kan bruges i rutinemæssige diagnoser, håber forskerne.
200 gange stærkere end stål
grafén er også et af de stærkeste stoffer, der findes. Det kan tåle 200 gange større belastning end stål. Dermed er det i klasse med sine nære slægtninge nanorør og de såkaldte buckminsterfullerener.
Et nanorør er intet andet end grafén, rullet sammen til en cylinder. I buckminsterfullerener er grafénet krummet til en fodbold, men der findes også kegler og andre former. Sammen kaldes de bare fullerener og har mange af de samme egenskaber som grafén.
Med så mange gode egenskaber er det ikke underligt, at der har været et stort pres på for at finde måder, hvorpå man kunne fremstille grafén hurtigt og billigt i store flager.
Prisen i frit fald
Udgangspunktet var elendigt. I 2008 var grafén et af verdens dyreste stoffer med en pris på 600 millioner kroner per kvadratcentimeter.
Året efter var prisen faldet til 600 kroner for samme mængde, altså til en milliontedel. grafén produceres nu i tonsvis og i ark på 0,5 m².
Scotch-tape-metoden er for længst forladt. Nu fremstilles grafén blandt andet ved at dampe det på et underlag af metal, for eksempel kobber.
Det fascinerende ved grafén er, at stoffet har været der hele tiden, lige under menneskets næsetip. Der går en næsten magisk lige linje fra blyanstregen i kladdehæftet til fremtidens computere.
Hvor mange andre sådanne uopdagede fremtidsteknologier ligger der og venter i hverdagen omkring os. Den, der er nysgerrig og stædig, vil finde ud af det. Og måske få en Nobelpris.
© forskning.no. Oversat af Magnus Brandt Tingstrøm
