Grafeeni – seuraava maailmaa muuttava materiaali?

Tiedemiehet eri puolilla maailmaa kilpailevat uuden, joustavan, venyvän, satoja kertoja terästä vahvemman ja vain yhden atomin paksuisen materiaalin tuottamisessa ja hyödyntämisessä. Jos joku heistä onnistuu, grafeeni voi mullistaa elämämme samaan tapaan kuin muovi tai jopa rauta aikoinaan.

Tämä kannattaa muistaa: grafeeni

Vain vajaa vuosikymmen sitten löydetty grafeeni on yhtä lupaava materiaali kuin muovi oli keksimisensä aikaan. Tuloksena voi olla jopa vastaava murros kuin siirtyminen pronssikaudesta rautakauteen.

Grafeeni löydettiin vasta vuonna 2004, ja sen eristäneet tutkijat palkittiin fysiikan Nobel-palkinnolla vuonna 2010. Tämä nanomateriaali on hullaannuttanut tiedemiehet, yrittäjät ja hightech-yhtiöt kaikkialla maailmassa uskomattomilla ominaisuuksillaan.

Mitä grafeeni on?

Grafeeni on periaatteessa vain yhden atomin vahvuinen hiilikerros. Arvioiden mukaan 3 miljoonan grafeenikalvon pino olisi noin yhden millimetrin paksuinen. Grafeeni on venyvää ja joustavaa mutta äärimmäisen kovaa ja satoja kertoja terästä lujempaa. Sen sähkönjohtavuus on erinomainen ja sulamispiste yli 3 000 celsiusastetta.

Tuotantoteollisuudessa työskennellään nykyään erittäin pitkälle kehittyneiden materiaalien, kuten titaaniseosten, monokristallien ja hiilikuitujen kanssa. Näistä aineista haetaan parempaa kuumuudenkestoa, joustavuutta ja muita edistyksellisiä ominaisuuksia. Jos grafeeni osoittautuu odotusten veroiseksi, se voi merkittävästi edistää näiden ominaisuuksien tutkimustyötä. Siitä voidaan mahdollisesti valmistaa tuntuvasti entistä kevyempiä, ohuempia ja vahvempia rakenteita, joilla voi olla monenlaisia sovelluksia superkevyistä lentokoneista ja suolanpoistolaitoksista huippunopeisiin tietokoneisiin.

Grafeenimarkkinat

Grafeenin valmistaminen tutkimustarkoituksia suuremmissa määrissä on äärimmäisen kallista, eikä markkinoilla ole vielä kaupallisia grafeenituotteita. Yritykset ja valtiot investoivat materiaalin tutkimukseen kuitenkin satoja miljoonia dollareita. Euroopan komissio rahoittaa grafeenin tutkimusta seuraavien kymmenen vuoden aikana miljardilla eurolla. Rahat jaetaan johtaville tutkimuslaitoksille ja yrityksille 17:ssä Euroopan maassa. (http://www.graphene-flagship.eu)

Aikaa vievä prosessi

Uusien materiaalien tuominen massatuotantoon saattaa viedä vuosikymmeniä. Hiilikuitukin kehitettiin jo puoli vuosisataa sitten. Rolls-Royce ajoi hiilikuidun käyttöä suihkumoottoreiden turbiinisiivissä 1960-luvulla, mutta siivet osoittautuivat vaurioituvan herkästi linnun törmäyksestä, joten yhtiö joutui hautaamaan suunnitelmansa.

Ensimmäisten kaupallisten grafeenituotteiden uskotaan ilmestyvän markkinoille vuonna 2015. Kilpailu grafeenin kaupallisesta hyödyntämisestä on kovaa etenkin elektroniikkavalmistajien, kuten IBM:n, Nokian ja Samsungin kesken. Jos joku näistä tekee läpimurron, merkittävä innovaatio saadaan markkinoille poikkeuksellisen nopeasti.

Vahvoja materiaaleja:

Titaaniseokset muodostuvat titaanista ja muista seosaineista. Ne ovat vahvoja ja kevyitä, ja ne kestävät korroosiota ja korkeita lämpötiloja. Titaaniseosten käyttöä kuitenkin rajoittaa valmistuksen kalleus. Niitä käytetään lähinnä lentokoneissa, urheiluautoissa ja sotatarvikkeissa, mutta myös lääketieteellisissä implanteissa.

Yksi- eli erilliskiteisissä materiaaleissa on katkeamaton kiderakenne, jossa ei ole raerajoja. Rakenteen eheys antaa näille materiaaleille ainutlaatuisia ominaisuuksia. Niitä käytetään puolijohteissa, laserlaitteissa sekä komponenteissa, jotka edellyttävät suurta lujuutta ja vähäistä virumista korkeissa lämpötiloissa, esimerkiksi turbiinin siivissä.

Kuumalujat superseokset ovat yleensä nikkeli-, koboltti- tai nikkeli-rautapohjaisia metalliseoksia. Ne ovat lujia, niillä on hyvä virumiskestävyys ja stabiili pinta ja ne kestävät korroosiota ja hapettumista. Niiden koneistaminen on erittäin haastavaa. Superseoksia käytetään laajalti suihkumoottoreiden osissa, kuten ahtimissa, polttokammiossa ja turbiinissa.

Grafeeni on tässä mainituista materiaaleista ohuin, vahvin ja kestää korkeimpia lämpötiloja, mutta se on vasta laboratoriovaiheessa. Grafeeni koostuu yhdestä kerroksesta hiiliatomeja, jotka järjestäytyneet hunajakennon muotoon. Materiaalin toivotaan parantavan tuotteiden ominaisuuksia radikaalisti kaikilla toimialoilla.