Mirakelmateriale:Grafen

(PhysOrg.com) -- I det 19. århundredes roman, Fladt land, af Edward A. Abbott, indbyggere i det fiktive land eksisterer kun i to dimensioner. Kvinder er født som linjestykker, mens mænd kommer i en række geometriske former, der afspejler deres rang, fra lave ligebenede trekanter, til middelklassens firkanter, til sekssidede sekskanter, forbeholdt adelen.

Livets begrænsninger på et fladt plan afspejler satirisk den stive victorianske klassestruktur på Abbotts tid. Når fortælleren af ​​historien opdager en tredje dimension, højde, han forsøger at kommunikere dette frigørende koncept til andre flatlændere, og ender i fængsel.

grafen, en virkelighedsversion af Flatland, består af række på række af sekskantede ringe af kulstofatomer, der er monteret sammen i et fladt bikagemønster kun et enkelt atom tykt.

Denne atomare skala gør grafen til en del af nano-verdenen, hvor genstande, der er tusind gange tyndere end et menneskehår, ikke længere følger velkendte naturlove som friktion og tyngdekraft.

Ligesom fortælleren af ​​Flatland hæver sig over sin begrænsede eksistens for at opleve livet i en anden dimension, objekter på nanoskalaen adlyder et nyt sæt regler:kvantemekanikkens "uhyggelige" love.

Kvante-quirks

En af de mest spændende kvantemekaniske effekter i grafen er den høje hastighed, hvormed elektroner kan strømme gennem det på grund af manglende friktion. Denne såkaldte "ballistiske" transport kan føre til en ny generation af superhurtige, supereffektiv elektronik.

Ud over, for sin størrelse, grafen er stærkere og mere fleksibelt end stål. Det leder varme 10 gange hurtigere end kobber og kan bære 1, 000 gange densiteten af ​​elektrisk strøm som kobbertråde.

Faktisk, graphens struktur giver det mange unikke optiske, termisk, mekaniske og elektriske egenskaber, spændende ingeniører og videnskabsmænd over hele verden med store nye muligheder for alle mulige applikationer.

Dyrkning af grafen

Grafen blev opdaget af videnskabsmænd i det tidlige 20. århundrede, der kiggede på almindelig grafit ved hjælp af røntgenspektroskopi. Selvom de kunne se, at grafitten var sammensat af en stak af individuelle grafenlag, ingen så nogen brug for disse ultratynde lag på det tidspunkt.

I 1990'erne, forskere lærte, hvordan man laver kulstofnanorør (CNT'er), som er små, sammenrullede rør af kulstofatomer arrangeret i det samme sekskantede hønsenet mønster som grafen.

Det var først i 2004, at videnskabsmænd målte de elektroniske egenskaber af tynde lag af grafen efter at have drillet flager af blyant grafit fra hinanden ved hjælp af gennemsigtig tape. Men denne kedelige metode til at skabe grafen ville aldrig fungere for et kommercielt levedygtigt produkt.

Overgår silicium

I mellemtiden Georgia Tech videnskabsmænd Walter de Heer, Claire Berger (også tilknyttet CNRS, Frankrig) og Phillip First havde arbejdet med CNT'er. De håbede at bruge nanoskala-rørene til at fremskynde den næste generation af mikroelektroniske komponenter, der ville overstige siliciumelektronikkens kapacitet.

Men selvom CNT'er havde ballistisk elektrontransporthastighed, de var svære at samle til integrerede kredsløb.

I 2001 de Heer mente, at todimensionel grafen måske også kunne bruges som et elektronisk materiale, da det er grundlaget for kulstof nanorør. Det år, han indsendte et forskningsforslag til National Science Foundation (NSF) om et tilskud til undersøgelse af brugen af ​​grafen i elektronik.

De Heer og hans team kom på ideen om at dyrke et fladt lag grafen lige hvor det ville blive brugt på en chip, og i den nøjagtige størrelse og form, der er nødvendig, så det kunne forudintegreres i en elektrisk enhed. Dette ville være meget nemmere end at producere de sarte CNT'er, overføre dem til et andet sted, og derefter forbinde dem med en metaltråd til et kredsløb.

Første grafen patent

I 2003, Georgia Tech-teamet var det første, der indgav patent på en proces til fremstilling af simple elektroniske enheder ved hjælp af grafen produceret epitaksialt (epitaksial betyder at dyrke et lag af et stof oven på et andet materiale, så begge materialer har samme strukturelle orientering).

Holdets grundlæggende metode var at opvarme en krystallinsk wafer af siliciumcarbid (SiC) til høje temperaturer (større end 1100 C). Ved den temperatur, siliciumatomerne fordampede fra overfladen og efterlod kun kulstofatomer, som omarrangerede sig til grafens velkendte kyllingetrådsmønster.

Epitaksial grafen kan dyrkes oven på forskellige støttematerialer, alt efter hvad det skal bruges til. En stor fordel ved epitaksial grafen er, at det bruger de samme slags kemiske processer, som udviklere allerede bruger til at lave siliciumbaseret elektronik.

"Det er mere end blot at have grafenmaterialet, " sagde de Heer. "Det er faktisk at have platformen og forarbejdningsteknikkerne, der ville blive udviklet parallelt."

Siden deres oprindelige forslag, de Heer og hans hold, finansieret af NSF gennem Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), har modtaget andre patenter og udgivet snesevis af forskningsartikler om epitaksial grafen til elektronik. I 2010 de Heer blev tildelt MRS-medaljen fra Materials Research Society for sine banebrydende bidrag til videnskaben og teknologien inden for epitaksial grafen.

Grafen gør det stærkere

Graphenes overlegne elektroniske egenskaber er ikke dens eneste stærke side. Nikhil Koratkar, professor i mekanisk, rumfarts- og atomteknik ved Rensselaer Polytechnic Institute, bruger plader af grafen til at styrke keramiske kompositter til barske miljøer som det ydre rum.

"Jeg er meget interesseret i at udvikle praktiske anvendelser af nanomaterialer, såsom grafen og kulstof nanorør, " sagde Koratkar. "Nano-kompositter er en sådan applikation, som kan have stor indflydelse."
Koratkar arbejder sammen med Erica L. Corral, assisterende professor ved University of Arizonas afdeling for materialevidenskab og teknik, og en specialist i keramiske kompositter.

Før Koratkar og Corral slog sig sammen, grafen var blevet brugt i polymerkompositter, men aldrig i keramik for at forbedre dets mekaniske styrke. Keramik er blandt de mest højtemperaturbestandige materialer i verden, men de har tendens til at være meget skøre.

Forebyggelse af revner

I jagten på noget at tilføje til keramiske kompositter, der ville forhindre revner, forskerne valgte grafen for dets mekaniske styrke, overfladeareal og geometri. "Graphene viser bemærkelsesværdig stivhed og styrke, " sagde Koratkar. "Og selvom det kun er nanometer tykt, det kommer i plader, der er store nok til at vikle og forankre sig sikkert omkring keramiske korn under sintringsprocessen, der bruges til at fremstille keramik."

Resultaterne af Koratkar og Corrals forskning var opmuntrende. "Vi har vist, at grafen kan hærde siliciumnitridkeramik med mere end 200 procent, " sagde han. "Årsagen til denne hærdning er, at de todimensionelle grafenplader er i stand til at afbøje udbredte revner i ikke kun to, men i tre dimensioner."

Koratkar og Corral, støttet af tilskud fra NSF, vil fortsætte med at udforske brugen af ​​grafen i andre typer keramik og studere komposittens ydeevne med højere procenter af grafen.

"Fremtiden for grafen i keramik bør resultere i et nyt felt af materialeforskning og kompositsystemer, der er langt mere avanceret end de endimensionelle forstærkningssystemer, vi har brugt til dato, " sagde Corral.

Tegning af grafenindustrien

Med så meget grafenforskning, der foregår i et væld af industrier, det er svært at holde styr på. Men Jan Youtie, en samfundsforsker og hovedforsker ved Georgia Techs Enterprise Innovation Institute, sammen med sin kollega Philip Shapira, professor ved Georgia Tech's School of Public Policy og University of Manchester, gør netop det.

Forskerne bruger en proces kaldet "real-time technology assessment" (RTTA) til at forstå det sociale, moralsk, politisk og økonomisk dynamik i nanoteknologiindustrien, inklusive grafen. At gøre dette, de samler alle patentansøgninger og alle videnskabelige artikler, der dækker grafen, i en database.

"Graphene har oplevet en stejl bane i form af forskningsresultater og opdagelser, " sagde Youtie. "Denne bane er endnu tidligere og stejlere, end vi har set med hensyn til andre nanoteknologier."

Youtie og Shapiras forskning er finansieret af NSF gennem Center for Nanotechnology in Society ved Arizona State University (CNS-ASU), som samler forskningsprogrammer på tværs af flere universiteter. De har opdaget, at Atlanta, hvor Georgia Tech er placeret, er en af ​​de førende knudepunkter inden for grafenforskning i verden, baseret på det samlede antal publikationer.

Global grafen

"Der er næsten 200 virksomheder, herunder store multinationale selskaber og små startup-virksomheder, der er blevet involveret i grafen-domænet, " sagde Youtie. "Det betyder, at nye ansøgninger bliver overvejet, mens forskningen stadig udføres."

Bare i det seneste år, Youtie har registreret patenter med grafen i et alkohol-brændstofbatteri, Bakelite™ pulverfylder, organiske enkeltkrystal transistorer, kontrollerede lægemiddelfrigivelsessystemer, farvefølsomme solceller, spildevandsfarvning, tyndfilmskompositter/ledende kompositter/polymerkompositter/plastik-trækompositter, vandtæt fiberplade, metallisk skum, batteri katode materiale, udskrivning og et protonudvekslingsmembranbrændstofbatteri.

"Der er global deltagelse i grafenforskning og kommercialisering, og de bedste virksomheder er store virksomheder fra Korea og Japan, med amerikanske virksomheder til stede, men ikke så udbredt, " sagde Youtie. "Internationaliseringen på dette område afspejler transcendensen af ​​nanoteknologi generelt på tværs af nationale grænser."