Hvornår vil grafen blive almindeligt brugt?

Hvis du læser mange videnskabs- og teknologinyheder, kan du komme væk med det indtryk, at grafen er god til alt. Grafen, en form for kulstof, der kun er et atom tykt, har virkelig superlative elektroniske, optiske og mekaniske egenskaber. Men nogle applikationer, der er forudset til grafen, såsom i computere, ser ud til at være urealistiske. Ikke desto mindre kan materialet blive en nøglekomponent i fleksible elektroniske skærme, højenergibatterier og andre produkter.

En model af strukturen af ​​grafen.

Super hurtig elektronik

I 2004, University of Manchester forskere ledet af Andrei Geim og Konstantin Novoselov var de første til at isolere grafen og teste dets elektriske egenskaber ( pdf ). De lavede grafen ved at knuse små stykker grafit og skrælle væk fra det med klæbende tape, lag for lag, indtil de havde enkeltatom-tykke masker af kulstof. For dette arbejde vandt parret 2010 Nobelprisen i fysik . Grafen, de og andre har fundet, er mærkeligt. Det udviser det, der kaldes ballistisk ledning: elektrisk ladning bevæger sig uhindret gennem materialet - meget hurtigere end i silicium, det materiale, der bruges til at lave nutidens integrerede kredsløb.

Tidligt var forskerne meget begejstrede for muligheden for grafenberegning. Men forvent ikke at finde en grafenprocessor inde i din næste bærbare computer. Grafen er ikke en halvleder, hvilket betyder, at den ikke kan skiftes fra sin ledende tilstand til en isolerende tilstand, uden at forskerne laver en masse fifler og babyer med materialet. Uden en stærk slukket tilstand, der matcher deres tændt, er det usandsynligt, at grafenkontakter erstatter silicium i digital logik.

Grafens elektriske egenskaber er langt bedre egnet til analoge kredsløb, den slags der bruges i telekommunikation. For eksempel demonstrerede IBM i 2011 hurtige grafenkredsløb af den type, der bruges i telekommunikationsapplikationer.

Stærke ting

Nogle af grafens bedste egenskaber er mekaniske. Den er fleksibel og elastisk. I 2008 viste forskere ved Columbia University, at grafen var det stærkeste materiale, der nogensinde er blevet testet. Forskere ved University of Texas i Dallas, ledet af Ray Baughman , har arbejdet på at drage fordel af denne kombination af styrke, fleksibilitet og høj ledningsevne i grafen tekstiler . Grafengarn kan laves til kunstige muskler eller kombineres med batterimaterialer for at drive bærbar elektronik. Dette papir forklarer et muligt design .

En vigtig milepæl for kommercialiseringen af ​​grafen var at komme ud over den såkaldte Scotch tape-metode, der blev brugt til at lave højkvalitets men små flager af grafen én ad gangen. I 2013 har forskere ledet af Rodney Ruoff ved University of Texas i Austin dyrkede grafen af ​​høj kvalitet over store områder ved at afsætte kulstoffet fra en gas på plader af kobber under nøje kontrollerede forhold (mere information kan findes i denne papir ). Det er vigtigt: Kun grafen af ​​høj kvalitet viser ballistisk ledning. I 2014 viste Samsung, hvordan det kunne dyrke grafen på en alternativ overflade, germanium.

Nogle af Ruoffs kolleger ved University of Texas i Austin byggede videre på hans grafenvækstarbejde for at lave robuste, fleksible telekommunikationskredsløb. Disse enheder er hårde nok til at køre over med en bil og kan overleve en dukkert i vand. Deji Akinwande demonstrerede disse enheder i et papir i 2013 og har arbejdet sammen med Corning og 3M for at opskalere produktionen.

Power muligheder

Applikationer tættere på kommercialisering udnytter grafens ledningsevne og mekaniske styrke og bruger det som et elektrodemateriale. Den kan tjene som en fleksibel erstatning for indium-tinoxid som en gennemsigtig ledende elektrode til f.eks. touch-skærme. I september 2014, Cambridge Graphene Center og elektronikvirksomhed plastik logik demonstrerede en fleksibelt display ved hjælp af grafenelektroder .

Tilføjelse af grafen til batterielektroder kan gøre højenergibatterier - som vil hjælpe biler med at køre længere og få elektronik til at holde længere mellem opladninger - mere mekanisk stabile. I 2011 brugte forskere ved University of California, Berkeley, grafen til sandwich og stabiliser tin batteri elektroder. En af disse forskere, Yuegang Zhang, flyttede efterfølgende sit laboratorium til Kina i håb om at kommercialisere dette arbejde hurtigere. I 2014 viste hans gruppe ved det kinesiske videnskabsakademi, at grafensandwich stabiliseres svovlelektroder .

Det er forskere ved University of California, Los Angeles udforske om grafen kunne bruges til energilagring i nye slags superkondensatorer - som ville oplade meget hurtigere end batterier og holde lige så meget strøm (mere information findes i dette papir .)

Takeaway:

Geim og Novoselovs banebrydende arbejde udkom for blot 11 år siden, og det er kort tid inden for materialevidenskab. Graphenes fulde gennemslagskraft i robust fleksibel elektronik og bærbare enheder er stadig år væk. Forvent i mellemtiden mindre udviklinger, som f.eks en kommende LED-pære hvis filament er belagt med grafen for at forlænge dets levetid og mindske dets energiforbrug.

Tak til Ron Waldron for dette spørgsmål. Send din til [email protected].

skjule