Grafén – fremtidens materiale?

Hva er grafen?

Grafen er et materiale som består at kun ett enkelt lag av karbonatomer ordnet i et heksagonalt mønster, kalt for en honeycombstruktur (se figuren over) (SNL, 2023).

Materialet ble først fremstilt i isolert form i 2004 av Andre Geim og Konstantin Novoselov ved bruk av en Scotch Tape-teknikk som gjorde det mulig å separere grafén fra grafitt. For denne oppdagelsen fikk de Nobelprisen i fysikk i 2010 (SNL).

Siden den tid har grafen vært ansett som et vidunder materiale som vil revolusjonære mange produkter på grunn av grafens unike egenskaper. Så langt har disse spådommene ikke slått an. I denne artikkelen vil vi se litt nærmere på grunnene til dette og om grafen i fremtiden vil bli det foretrukne materiale innen alle de områdene grafen er spådd å ha en stor fremtid.

Egenskaper

Grafen er det tynneste og sterkeste materialet som noensinne er laget. Èn kvadratmeter grafen veier kun 0,77 milligram, og en stabel med 3 millioner ark med grafen anslås å kun være 1 millimeter høyt. Så tynt er dette materialet.

Dette er bare en av mange unike egenskaper grafen har. Grafen leder for eksempel elektrisitet bedre enn silisium, og har et smeltepunkt på over 3000 grader Celsius. Det er også 200 ganger sterkere enn vanlig stål og har en ekstrem høy atombinding. Noe som åpner for en rekke nye muligheter innen elektronikk og materialteknikk. Materialet er dessuten gjennomsiktig og svært bøyelig. Noe som øker antall bruksområder for grafen (Nanografi, 2019).

Elektronmobiliteten i grafen er målt til 200 000 cm²/Vs. Noe som er omtrent 150 ganger raskere enn mobiliteten i silisium, og over 20 ganger raskere enn galliumarsenid ved romtemperatur (Wikipedia). Dette gjør grafen til et av de mest ledende materialene for elektrisitet og varme. Materialet er derfor perfekt for elektronikk og en mengde andre industrier.

Grafens tette atombindinger gjør den ugjennomtrengelig for nesten alle gasser og væsker, med unntak av vannmolekyler. I et studie publisert av The Royal Society of Chemistry, viste forskere at oksidert grafen til og med kunne trekke inn radioaktive materialer som uran og plutonium som finnes i vann, og etterlate væsken fri for forurensninger. Implikasjonene av denne studien er enorme. Noen av de største miljøfarene i historien, inkludert kjernefysisk avfall og kjemisk avrenning, kan renses fra vannkilder takket være grafen (Nicol, 2019).

Innledende studier tyder på at grafen er trygt for langvarig yrkeseksponering, men inhalering av grafenoksid bør unngås, avhengig av størrelsen på partiklene (Foley. 2021).

Grafens egenskaper har gjort at det er blitt forsket mye på hvordan grafen kan kan bruken innen elektronikk og materialfysikk (Wikipedia).

Bruksområder

Grafens unike egenskaper gjør at grafen har vært ansett som det neste store supermaterialet de siste 20 årene. Dette fordi grafen kan gjøre dagens databrikker 10 ganger raskere og lade et batteri fem ganger raskere enn i dag. Ved å legge til 1 gram grafen til 5 kg sement øker styrken til sementen med 35%. Dette er bare tre eksempler på hva grafen kan brukes til. Det finnes tusenvis av andre områder. Nanografi har identifisert 60 ulike områder hvor grafen kan revolusjonere produktene.

Hvorfor brukes ikke grafen i stor skala?

Når vi vet at grafen har potensialet til å være et supermateriale som kan skape produkter som i dag ikke er mulig, samtidig som de kan effektivisere de fleste eksisterende produkter, blir spørsmålet: “– Hvorfor bruker vi ikke grafen i stor skala i dag?“

Problemet med grafen ligger ikke i grafens egenskaper, men i det faktum at det fortsatt er utrolig vanskelig, energikrevende og dyrt å produsere grafen av høy kvalitet i kommersiell skala.

Pris og kvalitet

Prisen på grafen er knyttet til kvaliteten, og ikke alle applikasjoner krever suveren materialkvalitet. 

Grafenoksidpulver

For eksempel er grafenoksidpulver (grafen funksjonalisert med oksygen og hydrogen) billig og har blitt brukt til å lage et ledende grafenpapir for DNA-analyse og for andre avanserte kompositt- og bioteknologiapplikasjoner. Grafenoksid i løsning selges for 99 euro per 250 ml. Imidlertid er de elektroniske egenskapene til grafenoksid for øyeblikket ikke tilstrekkelig gode for batterier, fleksible berøringsskjermer, solceller, lysdioder, smarte vinduer og andre avanserte opto-elektroniske applikasjoner (Graphenea).

Eksfoliert grafen

Mekanisk eksfoliert grafen (oppnådd med den berømte “scotch tape“-teknikken) kommer i små flak av høy kvalitet. Eksfoliert grafen har så langt vist seg å ha de beste fysiske egenskapene, og når mot teoretisk forutsagt strømledning, mekanisk styrke osv. Dekningen av mekanisk eksfoliert grafen er imidlertid bare i størrelsesorden noen få små flak per kvadratcentimeter. Dette er ikke på langt nær nok for mesteparten av bruksområdene. I tillegg kan prisen på slik grafen være i størrelsesorden flere tusen dollar per flak (Graphenea).

CVD-grafen

CVD-grafen tilbyr tilstrekkelig kvalitet for majoriteten av dagens grafenapplikasjoner. Prisen på CVD-grafen er knyttet til produksjonsvolum og kostnadene ved å overføre grafen fra kobbersubstratetet det dyrkes på, til et annet substrat. Storskala bruk fører til lave CVD-grafenkostnader ved bulkbestillinger (Graphenea). 

Som det går frem av grafen over sank prisen for grafen dramatisk dramatisk mellom 2010 og 2013, før den har hatt en jevn nedadgående trend fra 2013 til 2020. En prisnedgang som forventes å fortsette i årene fremover som et resultat av bedre teknologi og stordriftsfordeler.

Produksjon og produsenter

Grafenpulver produseres i dag rutinemessig i størrelser på hundrevis av tonn, med en årlig produksjon som forventes å nå nesten 3800 tonn innen 2026 (Azonano). De største produsentene er Canada, Australia og Storbritania.

I følge Azonano dominerer det kanadiske firmaet NanoXplore det globale markedet for pulvergrafen, mens Graphenea, Applied Graphene Materials, Directa Plus, First Graphene Limited og NeoGraf er betydelige leverandører av grafenflak avledet fra grafitt.

Siden grafen-produsentene ennå ikke har klart å finne sitt “killer-produkt” har bransjen i lang tid slitt med overkapasitet. Konsekvensen av dette har blitt at bransjen i mange år har slitt med ulønnsom drift og fallende verdivurderinger. 

Fremtiden

Grafens unike egenskaper gjør at materialet har blitt ansett som fremtidens materie innen stadig flere områder, men denne utviklingen har blitt begrenset av at det har vært vanskelig å produsere store mengder grafen av høy kvalitet. Det vil si store grafen flak uten brudd og urenheter. Dette har imidlertid ikke stoppet forskningen. 

Det leveres kontinuerlig inn en mengde grafen patenter innen ulike områder og det lanseres stadig nye teknologier for å produsere grafen rimeligere og med høyere kvalitet. 

Økt etterspørsel etter holdbare, lette og effektive materialer innen energilagring, kompositter og elektronikkapplikasjoner gjøre at det globale grafenmarkedet vil overstige $3,5 milliarder (USD) innen 2030, prognoserer Statista (Statista, 2022). Dette vil være en formidabel økning fra 860 millioner USD i 2022. Grafen utgjør imidlertid bare en svært liten del av produktets totale verdi. Mange av grafen estimatene som finnes er derfor svært misvisende. 

Grandviewresearch mener at det globale grafen markedet i 2020 var 21,8 millioner USD. Et marked som økte til 28,2 millioner USD 2021, før det eksploderte til 175,9 millioner i 2022. Den årlige sammensatte årlige veksten (CAGR) forventes å bli 46,6% fra 2023 til 2030.

Hvilket produkt som vil være det kommersielle gjennombruddet for bruk av grafen er ennå usikkert, men mange trekker frem energilagring som en god kandidat. Det vil si bruk av grafen i batterier for el-biler, da grafen teoretisk sett kan redusere ladetiden med 80 prosent og øke rekkevidden nesten tilsvarende, i følge dagens forskning. 

Andre trekker frem neste generasjons transistorer, sensorer og kondensatorer, hvor grafen brukes som et belegg for å forbedre berøringsskjermer i bærbare og fleksible elektronisk enheter som det første store kommersielle gjennombruddet. Hvem som vil være vinneren er fortsatt usikkert.

Fremtiden ser med andre ord lys ut for dette fremtidsmaterialet som har ventet i snart 20 år fra å ta steget fra introduksjonsstadiet til vekststadiet i produktet (teknologiens) livssyklus. Sannsynligvis er det bare et tidsspørsmål før vi alle har ett eller flere produkter som inneholder grafen.

Kilder:

• SNL. Hentet 06.07.23: https://snl.no/graf%C3%A9n
• Wikipedia. Hentet 06.07.23: https://no.wikipedia.org/wiki/Grafen
• Tom Foley, 2021. Hentet 06.07.2023: https://graphene-flagship.eu/graphene/news/understanding-the-health-and-safety-of-graphene/
• Nanografi, 2019. Hentet 06.07.23: https://nanografi.com/blog/60-uses-and-applications-of-graphene-nanografi-/
• Graphenea. Hentet 06.07.2023: https://www.graphenea.com/pages/graphene-price
• Will Nicol, 2019. Hentet 06.07.2023: https://www.digitaltrends.com/cool-tech/what-is-graphene/
• Azonano. Hentet 06.07.23: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=6390
• Statista. Hentet 06.07.23: https://www.statista.com/statistics/1036547/global-market-value-graphene/
• Grandviewresearch, 2022. Henet 06.07.24: https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/graphene-industry