Grafen är hårdare än diamanter, starkare än stål och samtidigt det tunnaste materialet på jorden. Som om detta inte räcker är materialet böjligt, lätt, genomskinligt, avleder värme samt leder elektricitet 200 gånger bättre än kisel. Forskare och industri talar nu om ett nytt supermaterial, och idéerna för att använda grafen för miljönytta är flera.

Under 1930-talet presenterades plasterna som material med fantastiska egenskaper. Allting från kaffemuggar till rymdraketer skulle gå att bygga av plast – helt enkelt ett supermaterial. De flesta av förutsägelserna gick i uppfyllelse och en värld utan plaster är svår att föreställa sig. Nu verkar det vara dags igen för ett nytt supermaterial och det är bara några sedan som forskarna Andre Geim och Konstatin Novoselo fick Nobels fysikpris för att de lyckats isolera grafen.

Eftersom kol är jordens fjärde vanligaste grundämne verkar det finnas obegränsad tillgång till råvaran för grafen. Grafen kan skapa nya förutsättningar för hela branscher. Elektronik, medicin, flygplan, sportutrustningar är bara några exempel på möjliga användningsområden för grafen.

Ämnet som är starkast och leder ström snabbast är ändå lätt och flexibelt nog för att användas i produktion av böjbara, transparenta skärmar.

Ämnet som är starkast och leder ström snabbast är ändå lätt och flexibelt nog för att användas i produktion av böjbara, transparenta skärmar.
Bildkälla: Graphene Flagship, Chalmers University of Technology

Graphene Flagship är ett storskaligt forskningsprojekt som leds från Chalmers i Sverige och syftar till att knyta samman forskare med industrin för utveckla användningsområden för det nya materialet.

Stor nyfikenhet i sportbranschen

Tillverkare av sportutrustningar är ofta öppna för att testa nya material som ger produkterna förbättrade egenskaper. Material som är lätta, starka och har låga friktionsvärden är särskilt intressanta. Det finns exempelvis redan tennisracketar som innehåller grafen. I den tillämpningen används grafen i mittpartiet på skaftet och resultatet blir en lättare och starkare racket som bland annat ger mer dynamik i slaget. Skidor som innehåller grafen är på gång och möjligheterna är stora inom cykling, segling och simning.

Inom elektronikbranschen ser man också möjligheter med grafen. Böjbara skärmar och displayer är redan under långt gången utveckling och batterier, sensorer och elektroniska komponenter är något som ett antal företag ser som möjliga användningsområden för grafen.

Miljönytta med grafen

Mycket talar för att det går att utveckla betydligt effektivare solceller med grafen. Att hitta material som kan ersätta metallen i elektroderna i solceller är något som sedan länge gett forskarna huvudbry. Här verkar det som om grafen skulle kunna passa in och vid MIT i USA har en grupp forskare upptäckt att grafens kolstruktur grafen skulle passa utmärkt som elektroder.
Den största utmaningen var att få kolet att fästa på ytan av solcellerna. Vattenlösningar som är den vanligaste metoden fungerade inte och det var först när forskarna ”dopade” strukturen på solcellens yta och gjorde den oren som grafen häftade fast. Enligt forskarna är fördelen med grafen att materialet är transparent och därmed inte hindrar solenergin att nå solcellerna. Vidare är det formbart och smälter in med övriga material i solcellerna.

Grafenstruktur

I grafen är varje kolatom bunden till tre andra kolatomer. Ytan i materialet är stor i förhållande till sin vikt vilket gör det till en bra absorbent. Ett gram motsvarar en area stor som en fotbollsplan. En möjlig tillämpning inom miljöområdet är därför rening av förorenad mark och vatten. Här har forskarna bland annat visat att grafenoxid har stor kapacitet att snabbt ta bort radioaktiva föroreningar från avloppsvatten.

Avsaltning av havsvatten är ett annat område där grafen kan få stor betydelse i framtiden. De nuvarande metoderna kräver högt tryck och betydande energiförbrukning men här skulle grafen – med sitt enda atomlager – kunna fungera som ett filter som avskiljer alla andra beståndsdelar i vatten förutom vattenmolekylerna.

Påverkan på hälsa och miljö klarläggs

Med tanke på att det är ett nytt material som introduceras har det väckts en hel del frågetecken både kring den storskaliga produktionen av grafen och eventuell påverkan på människor och miljö då materialet dyker upp i olika produkter. Materialet består av mycket små partiklar (nanopartiklar) och har ett antal unika egenskaper. Att få ökad förståelse av riskerna för människors hälsa och miljön är därför viktigt, inte minst med tanke på att grafen kan få stor spridning, men också genom att det kan komma att användas i medicinska applikationer i människokroppen. Inom Graphene Flagship finns därför ett speciellt arbetspaket med fokus på säkerhet, toxikologi och miljöpåverkan.

Att tillverka grafen kan göras i laboratorieskala med hjälp av flera olika metoder, men att massproducera materialet med nuvarande metoder förefaller vara en energikrävande process. Forskare vid Chalmers har därför fokuserat på produktionsmetoder som kan bli betydelsefulla i framtiden: ultraljud (ultra sonication) och kemisk reduktion (chemical reduction) är två av dem. Genom att utvärdera energi-, vatten- och kemikalieanvändning under grafenets hela livscykel fick forskarna förståelse för den totala miljöpåverkan och resursanvändningen. Studien visade att både kemisk reduktion och ultraljud kan ge dubbelt så hög energianvändning än vad som krävs för att framställa aluminium.

Genom att modifiera ultraljudsmetoden kunde energiförbrukningen minskas till ungefär hälften jämfört med tillverkningen av aluminium. Genom att bombardera grafit med ultraljud i särskilda lösningsmedel kunde man få grafen-flaken lossna och återanvändning av lösningsmedlen minskade både miljöpåverkan och resursanvändningen.

Artikeln publicerad i juni 2014