Chalmers navet när grafen ska bli affärer

2013-12-08 07:00  

För tre år sedan nobelprisades männen som upptäckte supermaterialet grafen. <br/> Ett hundratal svenska forskare går vidare i deras fotspår. <br/> Navet är Chalmers tekniska högskola.<br/>

I ett renrum på Chalmers stoppas en frimärksstor bit kopparfolie in i en reaktor. Snart ska den hettas upp till nästan 1 000 grader. Då börjar kol från den omgivande metangasen att fällas ut på ytan. Fem minuter senare är folien täckt av ett atomlager tunt skikt av kol – grafen. Men för Ny Tekniks reporter ser kopparbiten precis likadan ut som innan.

– Grafen är svår att se med blotta ögat, materialet är nästa helt genomskinligt, konstaterar Mikael Fogelström, professor i mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Mikael Fogelström är en av ett hundratal forskare i Sverige som studerar det nobelprisade materialet. Teoretiska studier av hur elektroner susar fram i grafen är hans specialitet. Samtidigt basar han för all grafenforskning vid högskolan som finansieras med svenska medel. Arbetet leds från det nybildade Chalmers grafencentrum.

Härifrån styrs även det prestigefyllda EU-projektet Graphene, en satsning som omfattar 1 000 forskare i 17 länder. Och som tilldelats nio miljarder kronor under tio år. Det vetenskapliga flaggskeppet sjösattes i oktober. Kapten ombord är Chalmersforskaren Jari Kinaret.

– När vi fick flaggskeppet, som är så stort och ger så mycket lyskraft, tyckte vi att vi behövde bygga en hamn åt det också, säger Mikael Fogelström.

Med ombord är även industrier som Nokia och Airbus. Förhoppningen är att akademin och industrin tillsammans ska skapa mängder av nya produkter och arbetstillfällen. Och ge Europa ledarpositionen inom en materialrevolution baserad på grafen och andra tvådimensionella material.

Bland målen finns lätta kompositer för bilar och flygplan, genomskinliga och böjbara mobiler, supersnabb elektronik, vätgaslagring och snabbtankade batterier till elbilar. Även konstgjorda näthinnor som ger blinda synen åter står på agendan.

– Själv har jag mer och mer börjat bli intresserad av energisidan. Om man kan utnyttja genomskinligheten hos grafen, i kombination med att det suger åt sig fotoner över hela ljusspektrumet, skulle man till exempel kunna få fönster som genererar all energi som krävs för att kyla inomhusluften i varma länder.

Jan Stake, professor i terahertz- och millimetervågsteknik vid Chalmers, började tidigt att studera egenskaperna hos grafen.

– Som forskare inom högfrekvenselektronik har jag alltid ett öga öppet mot nya material med hög elektronhastighet och hög mobilitet hos laddningsbärarna, säger han.

För snart tre år sedan presenterade han en grafentransistor som arbetar i dryga 10 gigahertz, det vill säga slår av och på 10 miljarder gånger per sekund. Nu jobbar han mot nästa mål, en grafentransistor som klarar att detektera signaler upp mot 1 000 gigahertz. Därmed kvalar den in som terahertzelektronik, ett område som ofta klassas som elektronikens heliga graal. Här hägrar tillämpningar som en bilradar som ser genom regn och dimma liksom avlyssningssäkra radionät.

– Kanske kan vi också göra dioder som går upp i ännu högre frekvenser och få ännu snabbare elektronik. Det är drömmen, säger Jan Stake.

Supersnabb elektronik tillhör de många tillämpningar av grafen som hittills diskuterats. Många andra är inte ens påtänkta.

– När industrin får kunskap om materialets möjligheter kan helt nya tillämpningar dyka upp. Därför vill vi på Chalmers grafencentrum sammanföra små och medelstora företag i Sverige med oss forskare, säger Mikael Fogelström.

Han och hans kolleger skissar på ett innovationslabb: Graphene Innovation Lab. Här ska små och medelstora företag kunna få hjälp att utveckla nya eller förbättrade produkter med grafen, produkter som storföretag och andra industrier har behov av. Kanske också starta projekt och göra en första prototyp med forskarnas hjälp.

Labbet är en del i den Svenska grafen-agendan som leds av Chalmers Industriteknik. Målet är att svenska företag gemensamt ska få in Sverige på världens tio-i-topplista när det gäller industriellt användande av det heta materialet.

– Vi hade en första workshop nu i september där ett 50-tal svenska företag deltog. Då lärde vi oss två saker: Ja, de är intresserade. Nej, de vet ingenting om grafen.

Nu är kurser under utveckling och planeras till februari/mars. Även speed-dating finns med i planerna.

Allt du behöver veta om supermaterialet

Ulla Karlsson-Ottosson svarar på frågor om grafen
 

Vad är grafen?

– Ett material som består av ett enda lager av kolatomer ordnade i ett hönsnätsmönster.

Varför är det så haussat?

– Grafen är starkare än stål, men samtidigt ultralätt, böjbart och genomskinligt. Dessutom är de elektriska egenskaperna extremt goda. Elektroner rör sig till exempel tusen gånger snabbare i grafen än i kisel.

Vad har man för glädje av det?

– Materialet kan innebära ett teknikskifte på flera områden. Böjbara, genomskinliga skärmar och högtalare finns redan som prototyper. I framtiden kan nya, starka kompositer leda till ultralätta flygplan och bilar. Billiga, hyperkänsliga sensorer kan övervaka allt från broar till patienter.

Finns några produkter på marknaden?

– Än så länge är de få: ett tennisracket med en grafenkomposit från sporttillverkaren Head och en grafenbaserad ledande färg för tryckt elektronik från Vorbeck Materials. Powerbooster Technologies i Shanghai uppger att de i slutet av året ska lansera en böjbar pekskärm för mobiler.

Vilka tillämpningar ligger närmast i tiden?

– Böjbara pekskärmar, hoprullbart elektroniskt papper, kompositmaterial och vikbara organiska lysdioder (leds) kommer troligtvis ut på marknaden under de närmaste åren.

Längre fram i tiden då?

– Snabbladdade elbilar med superkondensatorer av grafen kan vara vardag om tio år. En annan tillämpning är högeffektiva solceller som tar tillvara på energin i varenda foton. Även konstgjorda näthinnor och ultrakänsliga sensorer som avslöjar cancer i ett tidigt stadium är på gång.

Vad är den största svårigheten?

– Att tillverka grafen med hög kvalitet över stora ytor i industriell skala. Fortfarande har grafen som slits loss med en tejpbit från grafit den högsta kvaliteten. Då blir bitarna så små att de bara räcker till enstaka transistorer.

Är inte bristen på bandgap ett problem?

– För att stänga av strömmen i en transistor krävs ett bandgap, det vill säga ett gap mellan elektronernas vilotillstånd (valensband) och ledningsbandet där elektronerna kan röra sig fritt. Grafen saknar ett sådant. De grafentransistorer som tagits fram leder ström hela tiden. Ett sätt att lösa problemet är att stapla två lager grafen ovanpå varandra. Forskarna testar också andra tvådimensionella material ihop med grafen. Dit hör bornitrid och grafan.

Ulla Karlsson-Ottosson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer