Dags att lyfta ?

I februari samlades nära hundra grafenforskare till den första konferensen i regi av grafenflaggskeppet, EUs storsatsning på en miljard euro till grafen. Siktet är att grafen ska gå från forskning till att verkligen bli använt i vår vardag.

GrapheSP

På konferensen i Lanzarote syntes de första tendenserna. Vissa forskargrupper presenterade sina insikter om hur material ska produceras i större skala. Det handlar inte längre om den grundläggande mekanismen hur materialet växer, utan fokus går mot produktion i volymer. Visserligen finns det en mängd fysik även i hur man framställer material i volymer, men den första förändringen har kommit. Samtidigt kommer allt fler demonstrationer på enkla komponenter. De första stapplande barnastegen mot en industrialisering. Vi närmar oss svaret på frågan: ska grafen lyfta?

_MG_4460_06

Posted in Uncategorized | Tagged , , | Leave a comment

Grafen kan ge ett svenskt innovationsprogram

Strategiska innovationsprogram ska stödja genomförandet av forsknings- och innovationsagendor som är av störst vikt för Sverige. Idag har fem agendor beviljats stöd. Nu tävlar ytterligare 18 agendor om stöd. Ett av dem är grafen.

Den svenska grafenagendan är utvald som en av 18 agendor som sållats ut från 33 ansökningar. Arbetet med grafenagendan har pågått sedan mitten av 2013, och tog god fart efter en workshop i september där cirka 80 deltagare från ett 50-tal företag deltog. Nu söker grafenagendan företag som är intresserade av grafen, och som till att börja med vill visa intresset genom ett stödbrev.

_J0A1684_13_ppt

Det är fascinerande att se utvecklingen av grafen. Redan 2001 påbörjades utvecklingen av den process som utvecklats vid Linköpings universitet för att tillverka grafen på kiselkarbid. Först för tunna filmer av högkvalitativ grafit, och 2005 observerades ett lager av kolatomer första gången. Nu finns Graphensic som säljer grafen på kiselkarbid, och vi får tillfälle att följa den svenska grafenutvecklingen på nära håll genom grafenagendan.

Den 7 mars skickas ansökan in om stöd till den svenska grafenagendan.

Posted in Uncategorized | Leave a comment

När det är bättre att inte vara perfekt

Egenskaper är viktigare än perfektion. Det vet de flesta av oss som har genomgått perioden som guldkantas i form av ungdomsåldern, och inträtt i det som man kan kalla en mogen ålder. Inget är perfekt, ingen är perfekt och det finns en tillfredsställelse i att allt bara fungerar hellre än toppar prestandan. Det gäller även för material.

Trots alla sina egenskaper så är grafen inte magnetiskt. Att vara magnetisk och samtidigt vara ett material för elektronik är en intressant kombination eftersom man kan göra spinnelektronik. Dagens transistorer baseras på att en elektron rör sig från en punkt till en annan. Elektronen är laddad och funktionen hos transistorn handlar om att elektriska laddningar rör sig. Om det finns andra laddningar, eller defekter, så reduceras förmågan att röra sig, och transistorn fungerar mycket sämre eller inte alls.

Alla elektroner har ett spinn, de snurrar åt olika håll. Det finns en önskedröm om att använda elektronens spinn för att transportera information istället för att använda laddningen. Elektronens spinn baseras på kvantmekaniska effekter och kan ändra sig väldigt snabbt när den ska rotera åt ett håll eller i motsatt riktning. Forskare beskriver det som att de har ett spinn upp eller spinn ner. Förenklat kan man se varje håll som att elektronen snurrar som en etta eller nolla, och dessa tillstånd används för att transportera eller spara information. En kombination av många ettor och nollor kan bygga upp en stor mängd information.

Det går mycket snabbare att ändra riktningen på ett spinn än att transportera laddning. Om man exempelvis tänker sig en linje av människor som står på rad. En person har en information i sin hand, exempelvis en bok. Om den personen skulle vilja gå till slutet av kön med boken (transportera information), så tar det en viss tid eftersom det kan finnas saker i vägen, som för elektronen skulle motsvara andra laddningar eller defekter. Det skulle gå mycket snabbare om personen istället ger boken till nästa person i kön, som i sin tur ger den vidare och detta upprepas tills boken (informationen) nått den sista personen. För elektronen skulle det gå snabbare om spinnet förs över till nästa elektron för att transportera information, och detta skulle kunna användas som en ny typ av transistor. Inom forskningen är detta ett område som kallas spinnelektronik.

Material som används inom elektronik är oftast inte magnetiska. Den mesta av forskningen handlar om att tillföra magnetiska metaller till elektronikmaterialet, och på så sätt få ett nytt (magnetiskt) material. Grafen som är perfekt har en enorm bredd av unika egenskaper, men är inte magnetiskt.

Forskare försöker då att ändra på materialet genom att ändra på enstaka kolatomer i grafen. Genom att antingen ta bort kolatomen från grafenytan, eller genom att modifiera kolatomer, så uppstår en oregelbundenhet. För varje kolatom som modifierats så kan det uppstå magnetiska moment, som man vill använda som en magnetisk film istället för en omagnetisk film av perfekt grafen. Defekter i grafen har därmed skapat nya egenskaper som är mer attraktiva än som man får i ett perfekt material.

Posted in Uncategorized | Leave a comment

Silicen är kisels svar på grafen

Kisel används till mycket av dagens elektronik. Materialet har förfinats under tiotals år. För bara några år sedan blev kolmaterialet grafen ett lager av kolatomer en stark konkurrent, då nanomaterialet ger bättre och snabbare elektronik. Nu svarar kisel utmaningen genom silicenett nanomaterial av kiselatomer i ett lager.

Grafen består av ett lager kolatomer som bildar en tvådimensionell struktur med   kvantmekaniska effekter. Kombinationen av dessa effekter och kolatomernas egenskaper ger en mängd unika materialegenskaper: elektronerna blir upp mot hundra gånger snabbare än i kisel, ytan blir superkänslig för enstaka molekyler och materialet får en enorm styrka. Grafenets fascinerande egenskaper utmanar kisel inom många tillämpningar – allt från sensorer till supersnabba processorer.

Men kisel har använts länge och etablerat sig hos elektronikjättarna. Moderna utrustningsparker har byggts upp kring materialet i allt från tillverkning av råmaterialet till ultramoderna processningsutrustningar för högvolymproduktion. Detta göra att grafen möter ett starkt motstånd från kisel.

Ett alternativ är att integrera grafen med kisel för att utnyttja unika egenskaper hos grafen med fördelarna hos kisel. Men kol- och kiselatomerna kan bilda kiselkarbid. En film av kiselkarbid på en kiselskiva ger stora spänningar. Filmen kan till och med böja kiselskivan eftersom kristallstrukturerna hos kisel och kiselkarbid inte riktigt matchar. Det är en utmaning att kombinera kolatomerna i grafen med kisel.

_MG_6877_web

Nya kombinationer med kiselkarbid

Intressant är att teoretiska studier påvisar att silicen på kiselkarbid kan ge en större variation av de elektriska egenskaperna hos silicen. Kiselkarbid består av kisel och kol. Den ena ytan av kiselkarbid kan således avslutas med kiselatomer, den andra med kolatomer.

Beräkningar visar att silicen på kiselsidan får de kvantmekaniska egenskaper man kan förvänta sig efter en exponering mot vätgas. Däremot blir silicen metalliskt när det ligger på kolsidan. Eftersom kiselkarbiden även kan dopas för att bli isolerande eller halvledande kan en mängd olika variationer av komponentstrukturer skapas.

Från teori till experiment

Första gången man började fundera på ett tvådimensionellt material av kiselatomer var år 1994, men det blev inte någon enorm respons inom forskningen. Tankarna återupptogs 2007 och materialet fick namnet silicen, men det handlade bara om teoretiska beräkningar. Det är en långt större utmaning att framställa materialet.

Parallellt med grafenmaterialets ökande popularitet har fler forskargrupper börjat studera framställning av silicen. Men kol har en enorm fördel eftersom det går att få fram små flagor av grafen genom att skala av bitar från grafit. Kisel har ingen motsvarande struktur som kan användas för att skala av flagor av silicen.

Grundidén att framställa silicen var att använda en metall och placera kiselatomer på metallen. Metallen måste ha egenskaper som gör att kisel inte reagerar med metallatomerna, eller vill bilda en blandad struktur av något slag. Tidigare hade olika tråd- eller cylinderliknande strukturer av kisel framställts på silver.

Den största utmaningen var inte att framställa materialet på silver, utan att verkligen kunna visa att det blev ett lager kiselatomer med liknande egenskaper som hos grafen. En ren silveryta kan nämligen få liknande hönsnätsmönster som beräknats för silicen. Forskarnas uppgift låg därför i att visa upp både struktur och elektroniska egenskaper. Det var först år 2012 som forskare lyckades visa upp otvetydiga bevis för silicen.

Patrick_Vogt_J0A6214_13_web

Patrick Vogt från Tekniska Universitetet i Berlin är en av de ledande forskarna inom silicen. En av hans artiklar från 2012 används som referens för när man visade upp silicen experimentellt på silver.

Fler möjligheter från variation av ytan

Till skillnad mot grafen har silicen en vis ojämnhet över ytan, oftast beskriven som en bucklighet. Det tvådimensionella materialet är således inte helt plant. Visserligen har liknande observationer gjorts för grafen, men ojämnheten är mer påtaglig i silicen.

Det finns en del intressanta aspekter som uppstår på grund av den buckliga ytan. Ojämnheten gör att laddningsbärarna i silicen växelverkar annorlunda med elektriska fält än grafen, trots att båda egentligen har en tvådimensionell struktur. Silicen kan därmed ge upphov till andra kvantmekaniska effekter.

Svensk forskning

Den svenska forskningen om silicen har inte fått samma fart som i Europa och övriga världen, men det finns bland annat ett par grupper i Uppsala och på KTH som börjat studera teoretiska aspekter.

­– Både silicen och grafen är metalliska material som, trots att de är hexagonala strukturer, har en skillnad i atomernas placering. Grafen har en plan yta medan ytan hos silicen är bucklig på grund av en hybridisering hos bindningarna. Silicen är mer reaktiv på grund av detta och därmed bättre som biosensor, förklarar Ralph Scheicher från Uppsala universitet som leder en grupp som studerar silicen teoretiskt för olika biologiska tillämpningar.

Molekyler som fastnar på ytan av ett biosensormaterial ändrar resistansen. Molekylerna tillför elektroner eller fångar upp elektron, vilket ändrar ledningsförmågan hos silicen och således resistansen.

– Att silicen är mer reaktiv betyder inte att alla molekyler påverkar ledningsförmågan hos silicen. Vi ser exempelvis att cytosin och guanin ger fem procents ändring av den elektriska ledningsförmågan, medan adenin och tymin inte ger någon effekt, säger Rodrigo Amorim från Uppsala universitet om beräkningar av växelverkan mellan silicen och olika kvävebaser som bygger upp DNA.

Rodrigo_Ralph-color_web

Rodrigo Amorim och Ralph Scheicher från Uppsala universitet forskar bland annat om växelverkan mellan DNA på grafen och silicen

Det finns många forskningsmöjligheter inom området och det blir onekligen många jämförelser med grafen. Alla underlagsmaterial för silicen är än så länge ledande, vilket kraftigt försvårar användningen av silicen eftersom många tillämpningar kräver isolatorer eller halvledare. Samtidigt får man ha i minne att silicen är väldigt nytt, och att vi kan förvänta oss mycket utveckling inom området.

Posted in Uncategorized | Leave a comment

80 år och en kolatom

Mildred Dresselhaus kallas ibland drottningen av kol. Hon är över 80 år och har fått Lise Meitnerpriset 2013 för banbrytande upptäckter som visar de grundläggande egenskaperna hos kol.

För tio år sedan flyttade jag till ett hus på landet. Det var i mitten av juli, solen strålade och vår enorma lind surrade av alla insekter som passade på när den blommade. Surret och fåglarna var det enda som bröt tystnaden.

En dag på väg hem så var grannen ute, det är en halv kilometer mellan våra hus. Jag stannade och hälsade. Ingvald var då över sjuttio år och arbetade i trädgården. Med tiden blev vi nära vänner och jag fascinerades av att han trots sin ålder fortfarande arbetade med trädgård, kapade ved och fixade med allt som hör hus och tomt på ett föredömligt ordentligt sätt. När min son föddes så var det 80 år mellan dem. Det var en ledsam upplevelse när han några år senare fick flytta till ett äldreboende där han bara kunde betrakta naturen genom sitt fönster, och som övergick till sorg när han senare gick vidare för att betrakta världens skeende från vad vi kallar den andra sidan.

_MG_6230_06_web

Jag hade tillfälle att höra en fascinerande presentation av Mildred Dresselhaus under våren 2012 när hon gjorde en översikt av sin forskning. Hon har studerat kolatomen genom grafit, fullerener, kolnanorör, diamant, och grafen under nästan hela sitt verksamma yrkesliv, och arbetar ännu med sin forskning trots att hon nu är över 80 år. Kolatomen utgör ett av de viktigaste grundämnena, den bygger upp allt liv och har en mängd unika egenskaper. Det är inte konstigt att kolatomen varit inblandad i Nobelpriset i medicin minst fem gånger, och resulterade i Nobelpriset i fysik 2010 genom grafen, som består av ett lager kolatomer. Nu är det en intensiv forskning om grafen, och en enorm tilltro till att materialet ska revolutionera världen. Innan grafen var det både fullerener och kolnanorör som skulle förändra mänsklighetens användning av ny teknik från revolutionerande material. Fullerener kallas ibland kolboll eftersom den byggs upp av kolatomer i en kantig bolliknande struktur liknande fotbollspelarnas välkända bollar med hexagonala mönster. Fullerener upptäcktes 1985 och kolnanorören med dess cylindrar av kolatomer presenterades 1991. Vare sig fullerener eller kolnanorör har än så länge inte revolutionerat världen.

_MG_7427_web

Med huset så följde en katt. Katten heter Sven och ligger i skrivande arla morgonstund under vår lind, höstsolen har nyss lyft sig över morgondimman och Sven värmer sig i solens strålar. Jag märker att han börjar bli gammal. Höstlöven har börjat falla och linden är överblommad. Material kommer inte att revolutionera världen lika mycket som vi människor, genom omtanke och hårt arbete så kommer världen att spinna vidare, och materialen får ta sin tid för att utvecklas och ge oss tekniken när den väl är mogen. Kanske resulterar grafen i nya tillämpningar eller kanske infrias inte våra förhoppningar inom alla områden. Men det kommer att ta tid. Om jag blir lika lyckligt lottad som Mildred och Ingvald så har jag 40 år kvar att fördela mellan familj och forskning. Så för en stund lämnar jag materialforskningen och går ut till katten och höstsolen. Snart vaknar övriga familjen.

_J0A1680_13_web

Posted in Uncategorized | Tagged , , , , | Leave a comment

Liten och superkänslig

Grafen är litet och magiskt. Ett atomlager tunt och ibland bara en tusendels millimeter brett. Denna ynka flaga är superkänslig för enstaka molekyler och grunden till en mångfald av nya sensorer.

En känslig sensor baseras på idén att ha så mycket yta som möjligt. Grafen är ett enda lager av kolatomer. Det består av en atomtunn film där kolatomerna binder till varandra. Eftersom grafen bara är ett supertunt material så bildar grafen egentligen två ytor. Den andra sidan av ytan är den andra sidan av kolatomerna. För grafen kan då varje kolatom vara inblandad i olika reaktioner med molekyler, och ge en extremt hög känslighet.

 Print

Ett enkelt sätt att detektera molekyler är att leda en ström genom sensorn. Molekyler som hamnar på ytan påverkar den ström som går genom grafenmaterialet. Samtidigt rör sig elektronerna i grafen i en hastighet motsvarande en miljon meter per sekund. Molekylerna kan då detekteras oerhört snabbt av en liten ändring av den elektriska strömmen. Inte undra på att grafen kan bli en superkänslig och snabb sensor för små mängder molekyler, eller till och med enstaka molekyler, som hamnar på grafenytan.

Den vanligaste typen av grafen som studerats för sensorer är grafenoxid. Det är en variant av grafen i form av små flagor som tillverkas med en metod som utgår från grafit. Men grafenoxid i sin ursprungliga form är inte användbar för sensorer eftersom materialet inte leder ström. På ytan finns en massa molekyler som innehåller syre, och dessa syregrupper bryter den ledande förmågan hos grafenoxid och materialet leder ingen ström. Dessutom finns det även olika defekter i grafenoxid som drar ner ledningsförmågan genom att bryta bindningar mellan kolatomer. Därför används en kemisk reducering för att få ner antalet molekyler och laga bindningarna mellan kolatomerna. På så sätt ska reduceringen ge ett material som leder ström. Samtidigt finns det kvar en del syregrupper eller defekter som kan fånga in molekyler som man vill detektera.

Det är besvärligt att hantera den lilla storleken av grafenoxid. Då studeras grafen som är gjort på metall eller på kiselkarbid. De större ytorna gör hanteringen mer lättillgänglig. Samtidigt är ytan inte lika känslig för molekyler. Så än idag finns ingen utvecklad sensor baserad på grafen, men utvecklingen går snabbt framåt.

Posted in Uncategorized | Tagged , , | Leave a comment

När grafen tar studenten

I början av juni genomfördes en konferens om grafen, Graphene Week 2013, där Europas forskare samlades i Chemnitz i Tyskland för att presentera den senaste utvecklingen. Men även forskare från andra världsdelar fanns på plats, vilket är en naturlig reflektion på att grafen är en högst internationell angelägenhet.

   _J0A6555_13_web

En stor del av presentationerna tog upp material och egenskaper. Förvisso var det en del presentationer på mer tillämpad nivå, men man kan undra när materialet ska bli moget nog att finnas på marknaden. För att verkligen bli närvarande i vår vardag.

 _J0A6443_13_web

_J0A6473_13_web

Veckan efter konferensen samlades familj och släkt för att fira två av mina döttrar när de tog studentexamen. Det var känslor fyllda med vemod och stolthet som blandades den dagen. Min oro för hur de skulle klara vuxenlivet balanserade med deras förväntningar på framtiden. Mina små flickor har blivit stora, fyllt 18 år och passerat gränsen för när man räknas som vuxen, men samtidigt hade jag vetat sedan de var små att det skulle hända.

 _J0A7228_13_web

Nästa år fyller grafen tio år som nobelprismaterial. Eller fyra år. Eller kanske 39 år. Den banbrytande presentationen år 2004 resulterade i nobelpriset 2010 inom fysik. Men det finns även studier som visade upp grafen 1965. Och flera andra årtal kopplas till grafen långt innan det mynnade ut i nobelpriset.

 _J0A6680_13_web

Nästa år kommer Graphene Week att genomföras igen, denna gång i Göteborg. Återigen kommer en familj av forskare samlas för att presentera den senaste utvecklingen. Och då har EUs stora miljardsatsning på forskning kring grafen startat. När den första tillämpningen en dag i framtiden kommer ut i större skala så kommer grafen att firas. Idag finns det ett enkla par tillämpningar på marknaden, men det kanske är mer jämförbart med att fira när man slutar nionde klass. Det stora genombrottet har inte kommit. Men den dag som de stora tillämpningarna kommer så finns det en stor familj som kan fira när grafen tar studentexamen, rusar ut genom portarna till den stora världen för att ta den med storm. Vi väntar med spänning på den dagen, med en känsla av oro och undran om forskningsfynden ska kunna klara steget till en industriell produktion i stora volymer, blandad med förväntan på vilka otroliga spännande användningsområden som finns för grafen.

_J0A6540_13_web

_J0A6724_13_crop2

Posted in Uncategorized | Leave a comment