Artikkel

Mirakelmaterialet grafén vil føre til revolusjoner innen teknologi

Og det er norske forskere som er i tet.

Har du lyst på en en gjennomsiktig TV, en 427 GHz prosessor, eller kanskje et lite solcellepanel som endelig lager nok strøm til en helg på hytta?

Glem gull, platina og silisium, disse materialene er helt uinteressante nå som vi er på full fart inn i grafén-æraen. Dette mirakelmaterialet ble oppdaget i 2004 og er snart modent til å velte selveste silisium over ende, og med det innta tronen som det absolutt mest betydningsfulle materialet innen høyteknologi.

Teknologiselskaper har i lang tid jobbet hardt med å finne en erstatning for dagens silisium, materialet som blant annet transistorer – som finnes i mikrobrikker og solceller – inneholder. Det er nemlig begrenset hvor mye mindre og mer effektive komponenter basert på dette materialet kan gjøres.

Norge helt i front

Helge Weman er professor i nanoelektronikk, og en del av teamet som laget halvledere på grafén. Foto: Kai T. Dragland, NTNU.

Grafén regnes som den mest aktuelle avløseren til silisium, og i fjor klarte et forskerteam ved NTNU i Trondheim for første gang å få halvleder-nanotråder til å vokse på grafén. De startet å jobbe med hybridmaterialet i 2010, og fikk i 2012 gjennombruddet deres publisert i den amerikanske vitenskapsjournalen Nano Letters.

Grafén-halvlederne de skapte i laboratoriet deres var bare noen mikrometer tykke. Til sammenligning er halvledere laget på silisium ofte flere hundre ganger tykkere.

Helge Weman, som er professor i nanoelektronikk ved NTNU i Trondheim, var en del av forskergruppen som stod for gjennombruddet. Til hardware.no trekker han frem materialets helt unike egenskaper når han beskriver hvorfor grafén er så interessant:

– Grafén består av et eneste flatt lag av karbonatomer som sitter sammen i et sekskantet mønster, akkurat som hønsenetting. Dermed er det i tillegg til å være gjennomsiktig, både bøyelig og utrolig sterkt. Grafén leder også elektrisitet og varme svært godt, sier han.

Grafén er faktisk det tynneste og sterkeste materialet som noensinne er laget. Det er lettere enn en fjær, men omtrent 200 ganger så sterkt som vanlig stål, og faktisk mye sterkere enn en diamant. I tillegg leder det strøm 100 ganger raskere enn silisium, noe som vil si at strømoverføringen begynner å nærme seg lysets hastighet.

Startvansker

Siden elektrisitet beveger seg så mye raskere i grafén enn silisium, skulle man tro at transistorer av grafén kunne revolusjonere blant annet prosessorer, som er proppfulle av transistorer. Men så enkelt er det ikke ifølge Weman:

– Utfordringen er at grafén ikke er en halvleder i seg selv. Strømmen av elektroner kan ikke på en enkel måte slås av og på. For å få til dette må man modifisere materialet, og da taper grafen samtidig noen av de unike fordelene sine.

Grafen i datamaskinen

Forrige uke klarte forskere ved universitetet i California å få grafén til å nettopp fungere som en bryter og slå av og på strømmen, ifølge Tech Review. Denne funksjonen er svært viktig for materialet om det noen gang skal kunne erstatte silisium i prosessorer.

Forskerne gjorde dette ved å utnytte den negative motstanden som oppstår i det spenning føres gjennom grafén-materialet. Da synker spenningen, og det er denne endringen i materialet som gir grafén den transistorlignende oppførselen de ønsket.

De ulike spenningene kunne dermed brukes for å kombinere og manipulere transistorer basert på grafén for å simulere konvensjonelle logiske porter, som alle datamaskinens beslutninger er basert på i dag.

Ved Universitetet i California kunne de vise til ennå ett av graféns viktige overtak over silisium. Den såkalte XOR-porten som tidligere krevde åtte silisium-baserte transistorer, kan ved hjelp av grafén bygges med bare tre transistorer.

Men til tross for dette, og det faktum at man tidligere har klart å klokke en grafén-transistor til hele 427 GHz, er det ingen grunn til å la hatten fly riktig ennå, ifølge Weman.

Han mener teknologien som er benyttet ved universitetet i California kan bli aktuell i fremtiden, men at den ennå ligger 10 – 20 år frem i tid. Den eksisterende silisium-teknologien er nemlig svært avansert i dag. Weman tror derfor at flere enklere anvendelser av grafén er det som heller må til for å bryte vei for at grafén-transistoren kan bli like aktuell som dagens silisiumbaserte transistor.

Grafén-produkter i butikken

Grafén sin utrolig lave vekt og styrke, bruker Head materialet i sine tennisrackerter.Foto: Head.com.

– Allerede i dag finnes det grafén-produkter på markedet. Blant annet er Head sin nyeste tennisrackert forsterket ved hjelp av grafén-fiber. Disse ble faktisk brukt i årets Wimbledon-finale av både Andy Murray og Novac Djokovic, forteller Weman.

Men det er naturligvis ikke bare på tennisbanen man kan få glede av grafén. På sikt vil materialet føre til at dagens smarttelefoner og datamaskiner fremstår som leketøy fra barneskolen.

– De mer avanserte grafén-produktene kommer ikke før om 5 – 7 år, og da blir de nok også ganske usynlige for folk flest. Grafén kan kanskje gjøre smarttelefonen din bøyelig, mer intelligent og gi den en batterikapasitet som lar den være på i flere uker av gangen. Videre håper jeg halvledere grodd på grafén vil føre til mer energieffektive LED-lamper og solceller, forteller Weman.

Tøff konkurranse

Og det er nettopp bruken av grafén i LED-lamper og solceller som Weman og hans forskningsteam bruker dagene på å utforske.

Selv om de ikke har en ferdig prototype ennå, er første prioritet er å ferdigstille en prototype med grafén-baserte halvledere. Disse solcellene tror Weman vil øke effektiviteten kraftig i forhold til dagens løsninger.

– Akkurat nå er vår gruppe på NTNU i front på dette området, og vi har startet bedriften CrayoNano AS for å prøve å utvikle dette konseptet til kommersielle komponenter.

Men selv om Weman og forskerne på NTNU var først til å gro halvledere på grafén, betyr det ikke at de er alene om å forske på mirakelmaterialet:

– Konkurransen kommer til å bli beinhard, og først og fremst fra Sør-Korea som nå satser stort på grafén.

Grafén virker altså som et svært lovende materiale, som kan fylle fremtiden med mange nye spennende leketøy og duppdingser. Grafén kan på sikt brukes i bilkarosserier, jagerfly, og båter, og produsenten som er først ute med den uknuselige, bøybare mobiltelefonen kan utvilsomt notere pluss i boka.

Tiden fremover er riktig nok fylt med snublesteiner for verdens forskere, og da er det godt at grafén ikke er det eneste interessante materialet det forskes på. Ifølge Weman har man noen materialer i bakhånd, om grafén skulle bli en flopp:

– Grafén var det første materialet som ble oppdaget fra den såkalte 2D-familien, som kjennetegner materialer som kan fremstilles i atomtynne lag og har unike egenskaper. Siden oppdagelsen av grafén har man oppdaget blant annet molybdenium disulfide (MoS2), en naturlig halvleder som godt kan være enda mer interessant for fremtidens elektronikk enn grafén.

Dagens transistorer er så tynne at flere millioner av dem får plass i punktumet på slutten av denne setningen. Men da den første transistoren så dagens lys i 1947 var det ingen som så for seg det >>

Nanowires on Graphene
Les også
Norsk teknologi lar salaten din «snakke» med Internett
Les også
Derfor er supermaterialet grafén så lovende
Les også
«Vidundermaterialet» grafén er ikke langt unna
Les også
Nå er databrikker av grafén nærmere en realitet
Les også
Forskere laget verdens første datamaskin av nanorør
Les også
Kjemper mot naturlovene for å lage nye prosessorer
Les også
Nytt materiale har ekstrem evne til å lede vekk varme
Les også
Se hvordan transistoren som endret verden fungerer
Les også
Forskere har bevist: Alt i PC-en din kan drives av lys
Les også
IBM lager superdatamaskin som simulerer en hjerne
Les også
10 fremtidsteknologier som kan gjøre maskinen din bedre
Les også
Nå har forskerne laget en høyttaler av grafén
Les også
Forskere sikter mot trådløs overføring på en terabit
Les også
Forskere har laget banebrytende transistor
Les også
Storsatsing på mulig arvtager for silisium
annonse